Lect. univ. dr. Claudiu ȘUȚAN [302892]

[anonimizat]:

Lect. univ. dr. Claudiu ȘUȚAN

Absolvent: [anonimizat] 2017

[anonimizat]: INGINERIA MEDIULUI

STUDIUL CONFORTULUI TERMIC AL LOCUINȚELOR

Coordonator științific:

Lect. univ. dr. Claudiu ȘUȚAN

Absolvent: [anonimizat]

2017

DECLARAȚIE

Prin prezenta declar că Proiectul de diplomă cu titlul “Studiul confortului termic al locuințelor” este scrisă de mine și nu a mai fost prezentată niciodată la o altă facultate sau instituție de învățământ superior din țară sau străinătate. [anonimizat], [anonimizat], cu respectarea regulilor de evitare a plagiatului:

[anonimizat], sunt scrise între ghilimele și dețin referința precisă a sursei;

reformularea în cuvinte proprii a textelor scrise de către alți autori deține referința precisă;

rezumarea ideilor altor autori deține referința precisă la textul original.

PITEȘTI, data

Absolvent: [anonimizat]

_________________________

(semnătura în original)

CUPRINS

Introducere…………………………………………………………………………………..8

Capitolul 1. Energia termică…………………………………………………………..10

1.1. Noțiuni generale de termodinamică…………………………………………..10

1.2. Principalele surse de producere a energiei termice………………………15

1.3. Transferul energiei termice prin materiale de construcții………………25

Capitolul 2. Sisteme de încălzire a locuințelor…………………………………..33

2.1. Sistemele centralizate de distribuție a energiei termice în mediul

urban……………………………………………………………………………………………..33

2.2. Clasificarea sistemelor de încălzire individuale convenționale……….38

2.3. Sisteme de încălzire eficiente energetic………………………………………40

Capitolul 3. Studiul sistemelor de încălzire a locuințelor moderne……….43

3.1. Prezentarea locuinței și a structurii acesteia………………………………..43

3.2. Prezentarea sistemelor de încălzire……………………………………………51

3.3. Achiziția, prelucrarea și interpretarea rezultatelor obținute……………57

Concluzii…………………………………………………………………………………….68

Bibliografie…………………………………………………………………………………71

Lista figurilor

Figura 1.1. Sistem termodinamic format din subsistemele A, B, C………………..12

Figura 1.2. Transferul de căldură prin conductivitate termică………………………..27

Figura 1.3. Suprafețe izoterme…………………………………………………………………..28

Figura 1.4. [anonimizat] …………….31

Figura 2.1. Schema de funcționare a unei centrale electrice de termoficare…….33

Figura 2.2. Distribuția energiei termice de la surse centralizate spre locuințe….34

Figura2.3. Schema de funcționare a centralelor termice individuale……………….38

Figura 2.4. Centrala termică în condensație Victrix Maior……………………………39

Figura 2.5. Schema asigurării energiei termice mixte, centrală termică panouri solare……………………………………………………………………………………………………. 40

Figura 2.6. Energie termo-solară……………………………………………………………….41

Figura 3.1. Locație construcție…………………………………………………………………..44

Figura 3.2. Planurile arhitecturale clădire……………………………………………………44

Figura 3.3. Secțiunea A/1 prin clădire………………………………………………………..45

Figura 3.4. Secțiunea A/2 prin clădire………………………………………………………..46

Figura 3.5. Plan subsol……………………………………………………………………………..47

Figura 3.6. Plan parter………………………………………………………………………………49

Figura 3.7. Plan etaj…………………………………………………………………………………50

Figura 3.8. Centrala termică Immergas Victrix Maior 35kW…………………………53

Figura 3.9. Boilerul Eldom Green Line 200l cu două schimbătoare de căldură……………………………………………………………………………………………………54

Figura 3.10. Distribuția apei calde pentru încălzirea în pardoseală…………………55

Figura 3.11. Termomanometrul Afriso și filtre de apă rece…………………………..56

Figura 3.12. Asigurarea confortului termic vara și eficiența energetică…………..56

Figura 3.13. Termometre digitale calibrate………………………………………………….57

Figura 3.14. Măsurarea teperaturii în subsol, parter și etaj la înălțimile față de podea de 0,2m, 1m și 2m…………………………………………………………………….58

Figura 3.15. Măsurarea volumului camerelor locuinței………………………………..59

Figura 3.16. Creșterea temperaturii în funcție de timp pentru distanța de 0,2m față de podea……………………………………………………………………………………….63

Figura 3.17. Creșterea temperaturii în funcție de timp pentru distanța de

1m față de podea……………………………………………………………………………………..64

Figura 3.18. Creșterea temperaturii în funcție de timp pentru distanța de

2m față de podea…………………………………………………………………………………….65

Lista tabelelor

Tabelul 1.1. Modul de acoperire a cererii mondiale de energie primară,

Mtep(%)…………………………………………………………………………………………………17

Tabelul 1.2.Participarea formelor de energie primară la producerea de

energie electrică % …………………………………………………………………………………18

Tabelul 3.1.Evoluția temperaturilor în subsol(garaj)volum cameră 30m3………..60

Tabelul 3.2.Evoluția temperaturilor parter(living)volum cameră 96m3…………..61

Tabelul 3.3. Evoluția temperaturilor etaj(dormitor 1) volum cameră 33m3……..61

Introducere

Confortul locuințelor a fost și este strâns legat de capacitatea acestora de a asigura o temperatură interioară plăcută, atât vara cât și iarna. Diferențele mari de temperatură dintre cele două anotimpuri înseamnă sisteme de încălzire-răcire a aerului din încăperi adaptate fiecărui anotimp. Multă vreme preocupările principale ale oamenilor erau legate de asigurarea căldurii în anotimpul rece, răcoarea din timpul verii nefiind importantă pentru supraviețuire.

Creșterea prețului energiei, schimbările climatice ce au impus modificări legislative importante, dar și conștientizarea populației au condus la îmbunătățierea semnificativă atât a izolării termice a locuințelor cât și la sporirea eficienței sistemelor de încălzire și la dezvoltarea unora noi. Căutarea de soluții tehnologice cu randament ridicat a adus beneficii utilizatorilor nu numai din punct de vedere al asigurării confortului termic dar și la nivel financiar, scăzând mult prețul plătit de acesta către furnizorii de energie termică.

În acest proiect de diplomă mi-am propus să studiez mai multe soluții tehnologice de încălzire a locuințelor din punct de vedere al confortului termic resimțit de utilizator și al eficienței energetice. Importanța acestui studiu este dublă: reducerea consumului de energie termică și asigurarea unui confort termic locuitorilor. Pentru a realiza acest studiu am efectuat mai multe seturi de măsurători ale temperaturilor din camerele unei locuințe noi, fiecare dintre acestea având soluții tehnice diferite.

Proiectul de diplomă debutează cu un capitol dedicat energiei termice. În cadrul acestui capitol am prezentat noțiunile teoretice de bază legate de energie în general și de energie termică în special. Tot în acest capitol am prezentat metodele principale de producere a energiei termice și a sistemelor de transport a acesteia către beneficiar. Capitolul întâi se încheie cu o prezentare succintă a transferului de energie prin materiale de construcții. Am considerat necesară introducerea acestor noțiuni teoretice pentru că trasferul de energie prin materialele de construcții poate influența alegerea sistemului de încălzire dintr-o locuință și, deci, a consumului de energie termică.

În continuarea proiectului meu, în capitolul al doilea, am prezentat principalele sisteme de încălzire utilizate în prezent pentru asigurarea temperaturii optime în timpul iernii în locuințe. Acestă parte a proiectului dedică subcapitole separate sistemelor de încălzire centralizate, utilizate în trecut pe scară largă, și sistemelor de încălzire individuale, preferate în prezent. Tot în capitolul al doilea am prezentat și cele mai cunoscute sisteme eficiente de asigurare a energiei termice din prezent.

În capitolul al treilea al proiectului am prezentat studiul efectuat pe o locuință unifamilială ce folosește sisteme de încălzire a aerului din încăperi diferite dar provenind de la aceeași sursă: o centrală termică pe gaz. Sunt prezentate detaliat planurile locuinței, locațiile unde am efectuat măsurătorile experimentale precum și senzațiile de confort termic pe care camerele din acest imobil le oferă. Tot în acest capitol am prezentat și interpretarea rezultatelor experimentale obținute în urma efectuării măsurătorilor. În finalul proiectului am prezentat concluziile acesteia și bibliografia utilizată.

Capitolul 1. Energia termică

Noțiuni generale de termodinamică

Corpurile macroscopice sunt formate din atomi și molecule, constituenți microscopici aflați într-o mișcare continuă, numită mișcare de agitație termică, datorită energiei lor termice. Evident, starea constituenților microscopici determină proprietățile termice ale corpurilor. În descrierea proprietăților termice ale corpurilor s-au dezvoltat două teorii bazate pe metode specifice de cercetare:

1.Termodinamica – studiază proprietățile termice ale sistemelor fizice la scară macroscopică, stabilind relații cantitative între mărimile direct observabile (presiunea, volumul, temperatura, etc.) fără a lua în considerare structura microscopică a acestor sisteme, bazându-se pe metoda termodinamică.

2.Teoria cinetico-moleculară – studiază proprietățile termice ale sistemelor fizice pe baza structurii lor microscopice, adică privindu-le ca pe niște sisteme de atomi și molecule aflate într-o perpetuă mișcare dezordonată și se bazează pe metoda statistică. Parametrii componenților microscopici ai sistemelor fizice (masa atomilor și moleculelor, viteza și energia medie a acestora, etc.) determină parametrii macroscopici ai sistemelor fizice.

Având în vedere că un sistem fizic este constituit dintr-un număr foarte mare de constituenți microscopici, pentru studiul evoluției stărilor acestora nu pot fi utilizate principiile din mecanica punctului material ci este utilizată metoda statistică (teoria probabilităților). Aceasta a avut ca efect dezvoltarea unei teorii a probabilităților orientată spre studierea fenomenelor fizice numită fizica statistică. Atât termodinamica cât și teoria cinetico-moleculară studiază sisteme termodinamice aflate în starea de echilibru. (E. Culea și colab., 1998)

Sistem termodinamic = orice sistem fizic compus dintr-un număr foarte mare, dar finit, de particule aflate în interacțiune mecanică sau termică. În funcție de schimbul de energie dintre sistemul termodinamic și mediul exterior avem:

1. sistem termodinamic închis sau izolat (nu schimbă cu mediul exterior căldură și lucru mecanic);

2. sistem termodinamic rigid (între sistem și mediul exterior are loc numai schimb de căldură, dar nu și de lucru mecanic)

3. sistem termodinamic adiabat (între sistem și mediul exterior nu are loc schimb de căldură, dar are loc schimb de lucru mecanic).

4. sistem termodinamic deschis (admite schimbul de lucru mecanic și căldură cu mediul exterior. (E. Culea și colab., 1998)

Parametrii de stare (mărimi de stare) = parametrii macrofizici cu ajutorul cărora se precizează starea a unui sistem termodinamic.

Stare de echilibru termodinamic = orice stare în care parametrii sistemului termodinamic (presiune, volum, temperatura, masa, etc.) rămân neschimbați, atât timp cât condițiile exterioare rămân neschimbate.

Transformare termodinamică de stare = modificarea parametrilor de stare a unui sistem, acesta trecând dintr-o stare de echilibru în alta; variația parametrilor de stare este provocată de schimbul de energie între sistem și mediul exterior.

Transformările termodinamice pot fi:

a. reversibile (trecerea între două stări termodinamice poate fi realizată în ambele sensuri, pe același drum, trecând prin aceleași stări intermediare de echilibru);

b. ireversibile (trecerea între două stări termodinamice nu poate fi realizată în ambele sensuri trecând prin aceleași stări intermediare de echilibru). (E. Culea și colab., 1998)

Principiul zero al termodinamicii. Temperatura.

Principiul general al termodinamicii afirmă că un sistem izolat se află în stare de echilibru termic pe care și-o menține atâta timp cât mărimile de stare externe rămân constante. Acest principiu ne asigură de existența stărilor de echilibru și ne precizează în ce condiții acestea pot fi atinse și menținute.

Fie un sistem termodinamic format din 3 subsisteme, A, B și C (figura 1.1). Peretele din jurul sistemului A+B+C și peretele dintre subsistemele A și B sunt adiabatice. Subsistemul C este separat de A și B prin pereți diatermici. Dacă A este în echilibru termic cu C și dacă C este în echilibru termic cu B, atunci și A este în echilibru termic cu B, chiar dacă între ele nu există schimburi de căldură prin peretele adiabatic. (I. Coroiu, E.Culea, 1999)

Figura 1.1. Sistem termodinamic format din subsistemele A, B, C (I. Coroiu, E.Culea, 1999)

Principiul zero al termodinamicii ne asigură de tranzitivitatea echilibrului termodinamic adică, două sisteme care sunt fiecare în echilibru termic cu un al treilea, trebuie să fie în echilibru termic și între ele însele. Principul zero permite introducerea noțiunii de temperatură empirică ca mărime de stare privilegiată ce caracterizează starea de echilibru termic a unui sistem termodinamic. Astfel, toate sistemele termodinamice aflate în echilibru termic au aceeași temperatură. Prin convenție, temperatura sistemului termodinamic care cedează căldură este mai mare decât temperatura sistemului care primește căldură.

Măsurarea temperaturii empirice a unui sistem se face cu ajutorul unui instrument numit termometru. Acesta se pune în contact cu sistemul studiat și se așteaptă ca el să ajungă la echilibru termic cu sistemul, după care temperatura termometrului va fi egală cu a sistemului.

Termometrele trebuie să îndeplinească o serie de cerințe:

• principiul de funcționare să se bazeze pe modificarea unei mărimi fizice în funcție de temperatură (volumul, rezistența electrică, etc.).

• să existe o dependență liniară între temperatură și proprietatea termometrică deoarece aceasta permite trasarea ușoară a scării termometrului.

• proprietatea termometrică să sufere modificări suficient de mari astfel încât termometrul să aibă o sensibilitate suficient de bună. (I. Coroiu, E.Culea, 1999)

Termometrul se realizează cu ajutorul unei substanțe termometrice (substanța ce are o mărime fizică convenabilă ce se modifică o dată cu temperatura) și a unei scări termometrice (necesară pentru măsurarea schimbării mărimii fizice).

În principiu, orice mărime fizică X ce caracterizeaza o cantitate de substanță poate fi folosită pentru măsurarea temperaturii sale pe o scară arbitrară. Dacă t0 reprezintă valoarea temperaturii la care mărimea fizică are valoarea X0 (măsurată pe scara termometrică la un moment dat), o temperatură oarecare t căreia îi corespunde valoarea X a mărimii fizice va fi exprimată de formula:

În prezent sunt utilizate mai multe scări de temperatură.

– scara Celsius – cea mai cunoscută scară de temperatură; se atribuie valoarea 0 punctului de topire a gheții și valoarea 100 punctului de fierbere al apei în condiții de presiune atmosferică normală, la nivelul mării, la 45o latitudine; intervalul de temperatură dintre cele două repere menționate se divizează în 100 de intervale egale.

– scara Fahrenheit – diferă de scara Celsius prin faptul că intervalul de temperatură dintre punctul de topire al gheții (corespunzător temperaturii de 320F) și cel de fierbere al apei (corespunzător temperaturii de 2120F) se divide în 180 de intervale egale; relația dintre valorile exprimate în scara Fahrenheit, respectiv Celsius, pentru aceeași temperatură este:

– scara Kelvin (scara temperaturilor absolute) – de o importanță deosebită din punct de vedere științific și tehnologic; a fost definită prin atribuirea temperaturii de 273,150K punctului triplu al apei, respectiv a temperaturii de 0 K stării în care nu mai există agitatia termică a moleculelor; temperatura de 0K este cea mai mică temperatură ce poate fi înregistrată, temperatura la care materia este “înghețată”; relația dintre valorile exprimate în scara Kelvin, respectiv Celsius, pentru aceeași temperatură este:

Să reținem faptul că în cazul scării Kelvin, temperatura de 273,16 K corespunde punctului triplu al apei (starea în care cele 3 stări de agregare ale apei – solid, lichid, gazos – sunt la echilibru).

Energia internă a sistemelor termodinamice este energia lor totală. Modelul cinetico-molecular al gazului presupune că toate moleculele sale sunt considerate în mișcare, respectiv în interacțiune, supunându-se legilor mecanicii. Într-un astfel de sistem termodinamic, energia totală este dată de suma energiilor cinetice și potențiale a moleculelor din care este format sistemul.

Lucrul mecanic în procesele termodinamice. Așa cum am văzut la capitolul de mecanică, lucrul mecanic este o mărime fizică ce caracterizează sistemul studiat din punct de vedere al schimbului energetic. El reprezintă energia schimbată între sistem și mediul exterior în cursul interacțiunii lor mecanice. Lucrul mecanic reprezintă efectul acțiunii unor forțe perpendiculare pe conturul sistemului închis, aflat în repaus, forțe care produc o modificare a stării sistemului ca urmare a deplasării suprafeței sale de delimitare față de mediu. (S. Anghel, 2015)

Căldura reprezintă o energie de natură termică ce poate fi schimbată de un sistem termodinamic și mediul înconjurător procesul fiind însoțit de modificarea temperaturii sistemului. Experimental s-a stabilit că energia schimbată pe această cale într-un proces termodinamic elementar este dată de formula:

unde m = masa sistemului, c = căldura specifică a sistemului, iar dT =diferența de temperatură, iar semnul indică faptul că variația infinit mică a cantității de căldură nu este o diferențială totală.

Primul principiu al termodinamicii exprimă legea conservării energiei aplicată în cazul proceselor termodinamice. Ea exprimă legătura ce există între energia internă (U) a sistemelor termodinamice, lucrul mecanic (L), respectiv căldura (Q), schimbate de acestea și mediul înconjurător. Principiului întâi al termodinamicii afirmă că variația infinitezimală a energiei interne a unui sistem termodinamic între două stări (dU) este egală cu suma variațiilor infinit mici de căldură (δQ) și de lucru mecanic (dL) schimbate de sistem cu mediul înconjurător (S. Anghel, 2015):

Principalele surse de producere a energiei

Dezvoltarea unei industrii energetice puternice este condiționată de existența unor surse de energie primară care să se caracterizeze prin: diversitate, accesibilitate, siguranță, prețuri stabile, asigurarea cantităților dorite pe o perioadă de timp cât mai mare. În raport cu aceste condiții, atenția industriei energetice se îndreaptă spre o gamă din ce în ce mai diversificată de surse de energie primară, cu particularități din ce în ce mai diferite. Prin conversia realizată în instalații specializate, aceste surse acoperă cererea de energie electrică și termică a societății. (Cenușă V., 2017)

În mod convențional, sursele de energie primară sunt împărțite în două mari categorii:

• surse finite;

• surse regenerabile.

Sursele finite de energie primară se consideră a fi limitate atât în timp, cât și în spațiu. Ele sunt capabile să acopere nevoile societății umane doar pentru o perioadă de timp limitată. Mărimea acestei perioade de timp depinde de volumul rezervelor de energie primară la care are acces societatea umană. Cele mai importante surse finite de energie primară sunt combustibilii fosili și nucleari. Din punct de vedere al modului în care se definesc rezervele corespunzătoare surselor finite de energie, se disting:

• Rezerva certă: reprezintă cantitatea din respectivul combustibil existentă în zăcământ, care a fost certificată prin măsurători și a cărui exploatare este considerată ca fiind rentabilă în condițiile economice și de dezvoltare tehnologică corespunzătoare unui anumit moment dat.

• Rezerva certă recuperabilă: reprezintă cota din rezervele certe care poate fi recuperată (extrasă din zăcământ), în condițiile economice și de dezvoltare tehnologică corespunzătoare unui anumit moment dat.

• Rezerva adițională: reprezintă cantitatea din respectivul combustibil, adițională în raport cu rezervele certe, care poate fi: – certificată prin măsurători, dar a cărei exploatare nu este rentabilă pentru condițiile tehnologice și economice curente; – rezultată în urma unor estimări care se referă atât la porțiuni neexploatate ale unor zăcăminte cunoscute, cât și la regiuni care oferă condiții geologice favorabile.

• Rezerva adițională recuperabilă: reprezintă cota din rezervele adiționale posibil a fi recuperate în viitor. Se subliniază faptul că volumul rezervelor certe, respectiv adiționale, este variabil în timp, el depinzând de dezvoltarea cunoștințelor geologice, de variația prețului combustibililor, de progresul înregistrat în domeniul tehnologiei. De exemplu, scăderea prețului la o categorie de combustibili poate muta un zăcământ din zona rezervelor certe în cea a rezervelor adiționale, exploatarea lui devenind nerentabilă din punct de vedere tehnico – economic. (Cenușă V., 2017)

Sursele regenerabile se referă la acele categorii de surse primare de energie care sunt generate în mod continuu de către sistemele naturale. Se disting următoarele categorii principale de surse regenerabile de energie: hidraulică, solară, eoliană, geotermală, a mareelor, a valurilor, biomasa. Ele se caracterizează prin:

• Potențialul teoretic brut: Reprezintă energia care ar deveni disponibilă prin conversia în energie utilă a tuturor fluxurilor naturale de energie regenerabilă, cu o eficiență de 100 %.

• Potențial tehnic: Reprezintă cota din potențialul teoretic brut care poate fi convertită în energie utilă, ținând seama de nivelul de dezvoltare tehnologic și de posibilitatea de utilizare a acesteia de către societatea umană (geografia umană).

• Potențial economic: Reprezintă cota din potențialul tehnic care poate fi convertită în energie utilă, în condiții de rentabilitate economică. Toate sursele de energie menționate mai sus participă, într-o măsură mai mare sau mai mică, la satisfacerea nevoilor energetice ale societății umane. Este foarte interesant să se analizeze evoluția în timp a disponibilului de energie primară în lume. Se poate constata că rezervele și producția evoluează dependent de consum, de politica (investițiile) în domeniul prospecțiunilor, de interesul marilor companii implicate și foarte mult de interesele politice și strategice ale țărilor mari consumatoare de energie. Dacă se urmărește această evoluție, se poate constata că secolul XX marchează trecerea de la dominația puternică a cărbunelui la penetrarea petrolului și gazelor naturale. (Cenușă V., 2017)

Avantajele folosirii acestora a condus la diminuarea prospecțiunilor miniere. Crizele energetice din 1973 și 1979, care în esență au fost crize petroliere, au relansat interesul pentru cărbune. Concluziile evidente ale acestor mutații impun existența obligatorie a unei strategii naționale în acest domeniu, strategie care să impună o dezvoltare orientată spre mai multe forme de energie primară și pe realizarea unor stocuri strategice, tampon, care să preia fluctuațiile cauzate de crizele și perturbațiile economice și politice. (Kogălniceanu A., 1986)

În tabelul 1.1 este prezentat modul în care este acoperită cererea mondială de energie primară pentru anul 1997, respectiv 2020.

Tabelul 1.1. Modul de acoperire a cererii mondiale de energie primară, Mtep (%)

* Include următoarele categorii de energii regenerabile: geotermală, eoliană, solară, a mareelor, a valurilor, biomasa, deșeuri industriale și menajere (Cenușă V., 2017)

Din analiza datelor de mai sus se pot trage următoarele concluzii:

• Combustibilii fosili continuă să acopere cea mai mare parte din cererea mondială de energie primară (90 % în anul 2020).

• Deși va crește în valoare absolută, energia hidraulică va satisface în anul 2020 o cotă mai mică a cererii de energie primară, în raport cu anul 1997. Același lucru este valabil și pentru energia nucleară.

• În ciuda avântului deosebit pe care îl vor înregistra, sursele regenerabile de energie (altele decât cea hidraulică) nu vor acoperi în anul 2020 decât 3 % din cererea mondială.

În conformitate cu previziunile Agenției Internaționale de Energie, producția mondială de energie electrică va crește de la 14 000 TWh, în 1997, până la aproximativ 26 000 TWh în anul 2020. În Tabelul 1.2 este prezentat modul în care diversele surse de energie primară participă la producția de energie electrică.

Tabelul 1.2. Participarea formelor de energie primară la producerea de energie electrică, %

* Include următoarele categorii de energii regenerabile: geotermală, eoliană, solară, a mareelor, a valurilor, biomasa, deșeuri industriale și menajere (Cenușă V., 2017)

Se pot remarca următoarele elemente:

• Ponderea combustibililor fosili în producerea de energie electrică va crește de la 63,5 % la 73,7 %.

• Cărbunele își menține poziția de lider în ceea ce privește producția de energie electrică.

• Prin avantajele pe care le oferă, îndeosebi din punct de vedere al protecției mediului, ponderea gazului natural se va dubla.

• Deși în valoare absolută participarea surselor regenerabile de energie (altele decât energia hidraulică) va crește semnificativ, ponderea lor nu va depăși 2,3 %.

Cărbunele este una din cele mai importante surse primare de energie, lui revenindu-i aproape 70 % din energia înglobată în rezervele certe de combustibili fosili. Cărbunele care a constituit baza revoluției industriale din secolul XIX, după o perioadă importantă de regres (1950 – 1980), revine ca o energie primară deosebit de importantă pentru viitor. Din punct de vedere al calității, cărbunii pot fi împarți în:

• cărbuni bituminoși (superiori): Includ huila și antracitul, iar formarea lor a început în perioada jurasică.

• cărbuni bruni: Formarea acestora a început în paleogen. În această categorie se disting cărbunele brun sub-bituminos și lignitul.

• turba: Reprezintă rezultatul unui proces de carbonificare incomplet. Pentru industria energetică îndeosebi primele două categorii prezintă o importanță deosebită. În raport cu ceilalți combustibili fosili cărbunele are o serie de avantaje indiscutabile:

• Se găsește din abundență.

• Poate acoperi nevoile societăți umane pe o perioadă mare de timp, permițând elaborarea unor strategii energetice pe termen lung.

• Este răspândit pe o arie geografică mult mai largă decât petrolul sau gazul natural.

• Prețul este relativ stabil, fiind puțin influențat de factori politici.

• Nu există probleme majore privind transportul de la sursă la consumator. (S.E.R. 2001)

• Există tehnologii mature din punct de vedere comercial care permit o utilizare “curată” a cărbunelui, cu impact minim asupra mediului înconjurător. Luând ca referință anul 1999, rezervele certe recuperabile de cărbune pot satisface cererea mondială pentru aproximativ 225 de ani. Limitările cele mai importante privind utilizarea cărbunilor sunt provocate în special de puternicul impact pe care îl au asupra mediului înconjurător. Se amintesc în acest sens emisiile de pulberi, oxizi de sulf, oxizi de azot, dioxid de carbon. Pentru reducerea emisiilor aferente primelor trei categorii de noxe există la ora actuală tehnologii mature din punct de vedere comercial capabile să satisfacă cele mai severe restricții. Din punct de vedere al dioxidului de carbon (care contribuie în mod substanțial la amplificarea efectului de seră), cărbunele se caracterizează prin cea mai ridicată emisie specifică în raport cu cantitatea de căldură rezultată prin ardere. În consecința, în următoarele decenii eforturile vor fi îndreptate înspre dezvoltarea unor tehnologii performante, mature din punct de vedere comercial, care să asigure reținerea și stocarea dioxidului de carbon rezultat din arderea combustibililor fosili. (S.E.R. 2001)

Petrolul și gazele naturale lichide. Petrolul rămâne o energie primară deosebit de căutată datorită avantajelor importante pe care le oferă atât din punct de vedere al valorii sale energetice cât și al proprietăților sale fizico-chimice. Utilizarea lui este la ora actuală îngrădită atât de reducerea rezervelor, cât și de accesul dificil la zăcăminte repartizate în mod inegal din punct de vedere geografic. Un alt dezavantaj major al petrolului este legat de preț, care prezintă fluctuații importante, de multe ori din cauze politice.

Pe lângă petrol, o pondere deloc neglijabilă o au gazele naturale lichide. Acestea sunt reprezentate de hidrocarburi componente ale gazului natural (etan, propan, butan, pentan) care sunt recuperate sub formă lichidă. În general statisticile includ rezervele de gaze naturale lichide în cele de petrol. Luând ca referință anul 1999, rezervele certe recuperabile de petrol pot satisface cererea mondială pentru aproximativ 40 de ani. Un element demn de remarcat este concentrarea deosebită a rezervelor din zona Orientului Mijlociu (peste 64 % din totalul rezervelor mondiale).

Gazul natural este definit ca un amestec de hidrocarburi care este exploatat în stare gazoasă și a cărui componentă principală este reprezentată de metan. În ultimele decenii gazul natural a devenit combustibilul preferat în raport cu cărbunele sau petrolul, în principal din următoarele motive:

• Gazul natural este un combustibil relativ “curat” din punct de vedere ecologic, cu emisii reduse de oxizi de sulf, oxizi de azot și pulberi. Datorită raportului carbon/hidrogen mai scăzut decât în cazul cărbunelui și petrolului, emisiile de dioxid de carbon sunt de asemeni simțitor mai reduse.

• Aria geografică de răspândire este mai largă decât în cazul petrolului. Peste 85 de țări posedă zăcăminte semnificative de gaz natural.

• Au fost dezvoltate tehnologii industriale de mare eficiență care funcționează pe bază de gaz natural (ex. ciclurile combinate gazeabur). (S.E.R. 2001)

Ca dezavantaj principal se menționează problemele pe care le implică transportul de la sursă la consumator. Acest transport necesită existența unor conducte magistrale de mare capacitate care în multe cazuri trebuie să traverseze teritoriile unor terțe țări. De asemeni prețul gazului natural este mult mai instabil decât în cazul cărbunelui.

Uraniul reprezintă una din sursele primare cu concentrare energetică deosebit de ridicată. Datorită reactivității chimice ridicate uraniul nu este întâlnit în natură în stare metalică, ci sub formă de oxizi (UO2, U3O8), fosfați, silicați, etc. Aceste rezerve sunt clasificate în funcție de costul specific aferent operațiunilor de exploatare, transport și procesare a minereului de uraniu.

În anul 1999 cererea mondială de uraniu a fost de aproximativ 61 600 tone, urmând ca ea să ajungă la 54 500 – 79 800 tone/an în 2015. Aproximativ 75 % din cererea anului 1999 a fost acoperită din producția zăcămintelor de uraniu, restul provenind din alte surse cum ar fi stocurile deja existente de combustibili nucleari sau arme nucleare dezafectate. Pe plan mondial peste 90 % din producția de uraniu este asigurată doar de 10 țări, dintre care cel mai important este Canada (8 214 tone de uraniu în 1999, cea ce reprezintă aproximativ 25,2 % din total). Folosirea uraniului în aplicații civile este strâns legată de dezvoltarea centralelor nuclearoelectrice (CNE). Deși în perioada 1980 – 1990 energetica nucleară s-a confruntat cu crize majore, cum ar fi accidentele de la Three Miles Island (SUA) și Cernobîl (Ucraina), ea rămâne în continuare o variantă viabilă de acoperire a cererii de energie electrică. În acest sens se menționează cazurile Franței și Lituaniei în care CNE acoperă peste 70 % din necesarul de energie electrică al țărilor respective.

Ținând seama de rezervele de uraniu existente, CNE vor putea juca și în viitoarele decenii un rol important în acoperirea cererii de energie electrică. În acest scop este necesară rezolvarea unor probleme cum ar fi:

• Creșterea siguranței în exploatare;

• Scăderea costurilor de capital la nivele comparabile cu cele ale centralelor electrice care funcționează pe combustibili fosili;

• Stocarea în siguranță a deșeurilor nucleare (inclusiv a combustibilului uzat);

• Creșterea gradului de acceptare a CNE de către opinia publică. (S.E.R. 2001)

Energia hidraulică reprezintă cea mai importantă sursă regenerabilă de energie, acoperind aproximativ 18 % din cererea mondială de energie electrică. În mod convențional noțiunea de energie hidraulică este asociată doar cursurilor de apă, alte surse primare pe bază de apă (cum ar fi energia valurilor sau mareelor) fiind asimilate la categoria Surse regenerabile de energie. Deși ocupă deja un rol major în balanța energetică mondială, există în continuare un potențial tehnic și economic impresionant care nu a fost pus încă în valoare și care ar putea contribui în viitor la acoperirea cererii de energie electrică. Dintre avantajele certe oferite de energia hidraulică se pot aminti:

• Resursele sunt larg răspândite pe glob, peste 150 de țări dispunând de potențiale hidroenergetice semnificative.

• Tehnologia de conversie a energiei hidraulice în energie electrică este matură din punct de vedere comercial.

• Joacă un rol important în reducerea emisiei de gaze cu efect de seră.

• Centralele hidroelectrice (CHE) se caracterizează prin flexibilitate în exploatare.

• CHE se caracterizează prin costuri de exploatare deosebit de scăzute și durate mari de viață.

• Amenajările hidroenergetice pot contribui la rezolvarea altor probleme cum ar fi irigațiile sau asigurarea cu apă potabilă a populației. Principalele limitări care apar în dezvoltarea CHE sunt legate de costurile ridicate de capital și de impactul deosebit de sever produs asupra mediului în faza de construcție – montaj. (S.E.R. 2001)

Surse regenerabile de energie. Una din alternativele energetice deosebit de tentante la ora actuală este reprezentată de utilizarea surselor regenerabile de energie. Dintre beneficiile aduse de utilizarea acestor surse se pot aminti:

• Prezervarea rezervelor de combustibili fosili ale omenirii;

• Reducerea impactului asupra mediului înconjurător produs de sectorul energiei electrice, cu accent asupra diminuării emisiei de gaze cu efect de seră.

Principalele surse regenerabile care pe termen mediu pot fi luate în considerație la acoperirea cererii de energie sunt: energia hidraulică (prelucrată în microhidrocentrale), biomasa, energia solară, energia eoliană și energia geotermală. Microhidrocentralele formează o categorie distinctă atât sub aspect tehnic, cât și financiar. În general, în această categorie sunt cuprinse CHE cu o putere electrică instalată mai mică de 10 MW. Microhidrocentralele se limitează la interesele de valorificare a unor surse relativ mici de energie hidraulică, fiind promovate în general de colectivități locale sau de industria de capacitate mică și mijlocie. (S.E.R. 2001)

În ultimii zece ani utilizarea acestor surse energetice a devenit o prioritate la nivel guvernamental pentru foarte multe țări, în acest scop fiind promovate o serie facilități și stimulente fiscale. Cel mai bun exemplu ar putea fi Cartea Albă promulgată de Uniunea Europeană (UE) în anul 1997 prin care se stabilesc obiective deosebit de îndrăznețe în ceea ce privește sursele regenerabile de energie. Astfel, până în anul 2010 aceste surse trebuie să acopere cel puțin 12 % din consumul de energie primară al Uniunii Europene. Prin aceasta se urmărește o reducere a emisiilor anuale de dioxid de carbon cu peste 400 Mt. Centralele electrice bazate pe surse regenerabile de energie se caracterizează (cu excepția energiei hidraulice) prin puteri unitare relativ mici. Ele se constituie în general în surse distribuite de electricitate plasate în imediata apropiere a consumatorilor. (S.E.R. 2001)

1.3.Transferul energiei termice prin materiale de construcții

Locuințele, spațiile de birouri și fabricile reprezintă medii controlate în care oamenii își desfășoară acttivitatea. Toate acestea generează căldură și consumă energie termică pentru asigurarea producției sau a confortului termic. În ultimii ani, organizațiile de mediu dar și specialiștii au constatat dereglări grave ale factorilor de mediu cu consecințe importante asupra climei pe pământ. Mai mult, energia necesară generării energiei termice a devenit din ce în ce mai scumpă. Toate aceste considerente au condus la politici de energie foarte stricte cu reglementări asupra tuturor consumatorilor de energie termică.

Impactul direct și indirect al utilizării energiei termice asupra mediului a fost foarte bine conștientizat și de populație, care este din ce în ce mai preocupată de construcția de locuințe eficiente termic. Încălzirea corespunzătoare a locuințelor reprezintă un element important în definirea gradului de confort și civilizație. Costurile din ce în ce mai mari, precum și necesitatea reducerii emisiilor poluante asociate generării de energie termică, au condus la dezvoltarea unor noi materiale de construcții. Reducerea consumului de energie termică este direct proporțională cu pierderile de energie dintr-o locuință. Până acum aceste pierderi erau compensate de un consum mai mare sau de lipsa confortului (temperaturi scăzute în locuințe).

În această lucrare vom studia influența formei clădirilor asupra consumului de energie termică atât din perspectiva reducerii cheltuielilor aferente încălzirii cât și din perspectiva reducerii emisiilor de gaze cu efect de seră prin reducerea consumului de energie termică. Dezvoltarea materialelor de construcții a permis reducerea semnificativă a energiei termice necesare încălzirii locuinței. Aceste materiale au devenit mai ușoare, mai eficiente și mai bune izolante termice.

Energia termică necesară pentru încălzirea unei locuințe permanente este egală cu energia pierdută de locuință dacă a fost atinsă temperatura dorită de locatari. Practic, odată atinsă temperatura dorită, toată energia consumată de instalația de încălzit compensează pierderile termice ale locuinței. Izolarea termică reduce semnificativ pierderile de căldură și deci consumul de energie termică pentru menținerea temperaturii. Aceste afirmații sunt valabile indiferent de forma de energie folosită pentru generarea energiei termice.

Transferul de căldură în interiorul unui corp sau de la un corp la altul este condiționat de o diferență de temperatura care reprezintă forța motoare sau potențialul procesului. Conform principiului I al termodinamicii două corpuri pot schimba între ele căldură până la atingerea echilibrului termic, adică până la egalarea temperaturilor corpurilor. (Bazil Popa, 1977)

Principiul II al termodinamicii arată că transformările spontane în sisteme finite se desfășoară în sensul creșterii entropiei sistemului (dS>0), ceea ce înseamnă că în astfel de sisteme căldura trece spontan de la corpul mai cald la cel mai rece.

Există trei mecanisme prin care se realizează transferul de căldură:

-conductivitatea termică (conducția),

-convecția și

-radiația termică.

Pentru studiul nostru vom ține cont doar de conducția termică, deși se reamintește că în majoritatea cazurilor transmiterea căldurii se face simultan prin cel puțin două din mecanismele amintite. Conductivitatea termică, sau transferul de energie prin contact, este influențat de mai mulți parametrii. Unul dintre cei mai importanți pentru studiul nostru ține cont de suprafața de contact dintre clădire și mediul înconjurător, adică de forma acesteia. În figura 1.2 este prezentat schematic transferul de energie prin principalele mecanisme.

Figura 1.2. Transferul de căldură prin conductivitate termică

(http://www.plusconfort.ro)

Transferul de căldură se realizează atâta timp cât forța motoare este diferită de zero, adică atâta timp cât între două corpuri sau între două puncte ale aceluiași corp există o diferență de temperatură. (A. Badea, 2005)

Totalitatea temperaturilor dintr-un mediu considerat se numește câmp de temperatură. Temperatura este un parametru de stare scalar care este o funcție de coordonatele spațiale și de timp: T=f(x,y,z,t). Dacă temperatura este independentă de timp atunci:

= 0

și regimul de temperatură este staționar iar funcția de temperatură devine: T=f(x,y,z,). În cazul în care temperatura variază în timp regimul de temperatură este nestaționar.

Locul geometric al tuturor punctelor dintr-un corp care au aceeași temperatură formează în spațiu o suprafață izotermă (Figura 1.3.).

Considerând două suprafețe izoterme având temperaturile T, respectiv T+dT, situate la distanța dl, măsurată pe direcția normală la aceste suprafețe, prin definiție este gradientul de temperatură.

Figura 1.3. Suprafețe izoterme (A. Badea, 2005)

Cantitatea de căldură, Q’ schimbată între corpuri sau în interiorul aceluiași corp reprezintă o formă de energie. Cantitatea de căldură transferată în unitatea de timp Q, este fluxul de căldură:

În regim staționar fluxul (debitul) de căldura este constant în timp. Cantitatea de căldură transferată în unitatea de timp prin unitatea de suprafață se numește flux termic unitar (solicitare termică sau încărcare termică), și este notat cu q.

Conductivitatea termică se poate realiza prin corpuri solide lichide sau gazoase, dar în cazul fluidelor nu se poate realiza o conductivitate “pură” deoarece în cazul acestora este prezentă și convecția liberă. Din aceasta cauza se consideră că acest mecanism este specific solidelor.

Ecuația care exprimă fluxul de căldură transferat prin conductivitate, în regim staționar se numește Legea Fourier:

Q = –

Fluxul de căldură transferat prin conductivitate este proporțional cu aria secțiunii normală la direcția transferului, S și cu gradientul de temperatură, . Coeficientul de proporționalitate notat cu λ se numește coeficient de conductivitate termică. Semnul minus este dat de valoare negativă a gradientului de temperatură. (A. Badea, 2005)

Ținând cont de relația dintre fluxul termic și fluxul termic unitar ecuația Fourier poate fi scrisă și sub forma:

Coeficientul de conductivitate termică exprimă ușurința cu care se transferă căldura print-un corp prin acest mecanism. Unitatea de măsură a coeficientului de conductivitate termică rezultă din Legea Fourier:

Coeficientul de conductivitate termică λ este o proprietate fizică importantă în practică de care se ține cont la alegerea materialelor de construcție a utilajelor sau a materialelor cu rol de izolatoare termice. Pentru majoritatea materialelor λ variază liniar cu temperatura, conform relației . (A. Badea, 2005)

Materialele cu conductivitate mică (termoizolatoare) se folosesc pentru izolarea termică a aparatelor încălzite în scopul de a se limita pierderile de căldură în mediul exterior și din motive de protecția muncii.

Dintre substanțele uzuale aerul are conductivitatea cea mai mică, totuși folosirea unor mantale cu aer nu asigură o izolare termică eficientă datorită convecției libere care se manifestă în paralel cu conductivitatea.

Pentru a limita convecția liberă se recomandă ca aerul sa fie divizat în volume cât mai mici. Așa se explică proprietățile termoizolatoare ale unor materiale cu structură poroasă sau fibroasă cum ar fi: vata de sticlă, vata de zgură, azbestul, pluta, polistirenul expandat, etc. Dacă în pori pătrunde apa care are λ de circa 25 de ori mai mare decât a aerului, conductivitatea crește semnificativ.

Fluxul de căldură transferat prin conductivitate se poate calcula din legea Fourier, dacă se cunoaște gradientul de temperatură. Pentru a calcula acest gradient trebuie cunoscută funcția de distribuție a temperaturilor în corp. Această funcție se poate determina prin integrarea ecuației diferențiale a distribuției temperaturilor în corp.

Dacă mediul material prin care se transferă căldura este un corp solid atunci mecanismul transferului de căldură este conductivitatea termică, iar ecuația care dă distribuția temperaturilor în corp este ecuația diferențiala a conductivității termice.

Pierderile de căldură din locuințe pot fi aproximate ca un proces staționar de transfer de energie. Căldura generată în permanență de centrala termică este folosită pentru a menține temperatura interioară care are tendința de a scădea datorită pierderilor. În momentul atingerii temperaturii dorite, pierderile de căldură cu mediul exterior se desfășoară în regim staționar dacă temperatura exterioară este constantă. Este evident că în exteriorul clădirii temperatura variază mult, dar pentru studiul nostru comparativ al mai multor materiale de construcții putem să tratăm situația regimului staționar de pierderi de căldură. (Calota Sorin, 2003)

Se consideră un perete solid plan (figura 1.4), omogen cu suprafața mult mai mare decât grosimea δ. Pe fețele opuse ale peretelui se mențin constante temperaturile Tp1 respectiv Tp2 cu Tp1>Tp2. Dacă temperaturile fețelor opuse sunt constante, între punctele de pe aceste suprafețe nu se schimbă căldură (acestea fiind suprafețe izoterme). (Calota Sorin, 2003)

Figura 1.4. Distribuția temperaturilor printr-un perete plan omogen (Calota Sorin, 2003)

Fluxul de căldură schimbat între cele două fețe ale peretelui plan se calculează din legea Fourier:

Gradientul de temperatură dT/dx se poate determina din funcția care dă variația temperaturilor în perete: T=f(x), iar aceasta funcție rezultă din integrarea ecuației distribuției temperaturilor în regim staționar după o singură direcție:

În cazul în care peretele plan este format din mai multe straturi de grosimi și conductivități termice diferite (perete compozit) se demonstrează că fluxul de căldură în regim staționar printr-un astfel de perete este proporțional cu suprafața de transfer S, cu potențialul transferului ΔTp și invers proporțional cu rezistența termică totală a peretelui. (Calota Sorin, 2003)

Capitolul 2. Sisteme de încălzire a locuințelor

2.1. Sistemele centralizate de distribuție a energiei termice în mediul urban

Distribuția energiei termice în orașele din România s-a făcut în trecut cu ajutorul unor conducte de mari dimensiuni care preluau căldura de la centralele termice și o distribuiau blocurilor. Această metodă avea un mare avantaj și anume acela că centrala termică putea fi amplasată în afara orașului, nepoluându-l. Din punct de vedere al eficienței transportului de energie termică, pierderile înregistrate pe traseul țevilor erau foarte mari, la consumatorii casnici ajungând agentul termic la temperaturi foarte mici. În același fel era pregătită și apa caldă menajeră prin schimbătoare de căldură ce transferau energia termică de la sursa caldă spre apa rece ce era apoi trimisă spre blocuri ca apă caldă.

În general era preferată această metodă de asigurare a energiei termice pentru orașe pentru că într-o centrală termică se putea produce și energie electrică. Schema de funcționare a unui CET este prezentată în figura 2.1.

Figura 2.1. Schema de funcționare a unei centrale electrice de termoficare (CET)

(termoelectrica.md)

Energia termică produsă era transportată cu ajutorul țevilor către punctele termice din cartierele orașelor de unde putea fi distribuită ca energie termică pentru încălzirea locuințelor (iarna) și apă caldă menajeră. În figura 2.2. este prezentată schema de distribuție a energiei termice centralizate.

Figura 2.2. Distribuția energiei termice de la surse centralizate spre locuințe (enetsa.ro)

În prezent se studiază metode și instalații eficiente de transport a energiei termice de la CET-uri către consumatorii finali pentru scăderea la maxim a pierderilor și eficientizarea economică a încălzirii centralizate. Sistemul de alimentare centralizat cu energie termică (SACET) are câteva avantaje importante:

• Este un sistem care, dacă este bine administrat și întreținut, poate atinge o eficiență energetică mai mare decât cea a soluțiilor individuale.

• Evoluția tehnologică este mai ușor de implementat într-o singură centrală decât în mai multe instalații individuale.

• Nivelul de securitate este ridicat.

• Respectă normele de mediu. (tetkron.ro)

Firmele de specialitate caută în permanență soluții pentru atingerea unor obiective de eficiență financiară și grad sporit de atractivitate pentru consumatorii finali, pentru a crește numărul locuințelor racordate la SACET-uri la nivel național.

În general, sunt urmărite următoarele principii:

accesibilitatea populației la resursele energetice pentru încălzire (accesul întregii populații la încălzire și apa caldă menajeră);

siguranță și fiabilitate în alimentarea cu energie termică (interconexiuni între PT-uri și CT- uri);

eficiența energetică a instalațiilor ;

asigurarea rentabilității financiare în producerea, transportul și distribuția energiei termice;

implementarea tehnologiilor avansate;

reducerea impactului negativ asupra mediului;

respectarea legislației naționale și alinierea la legislația Uniunii Europene în domeniul energiei și protecției mediului. (tetkron.ro)

Condiții obligatorii:

capacitatea de producție a unității de producție a agentului termic trebuie proiectată pentru consumul actual și cel previzionat;

reducerea considerabilă a pierderilor în rețelele de transport al agentului termic primar;

creșterea eficienței energetice a punctelor termice;

instalarea modulelor termice individuale, acolo unde se justifică economic;

contorizare la nivel de imobil și la nivel de puncte termice și chiar la nivel de apartament;

reducerea pierderilor de energie termică și apă din rețelele interioare ale imobilelor;

introducerea sistemelor de automatizare și dispecerizare, astfel încât să poată fi asigurată monitorizarea și controlul permanent al funcționării instalațiilor în cadrul parametrilor optimi, de la producere până la utilizator;

optimizarea regimurilor de funcționare a SACET;

încadrarea tuturor aspectelor de funcționare a întreprinderii într-un sistem informațional unic.

Obiective:

îmbunătățirea continuă a calității serviciilor de alimentare cu energie termică, cu menținerea costurilor la un nivel ce ar asigura accesibilitatea consumatorilor la aceste servicii;

promovarea principiilor economiei de piață; (tetkron.ro)

atragerea capitalului privat în finanțarea investițiilor din domeniul infrastructurii locale;

promovarea măsurilor de eficiență energetică;

promovarea parteneriatului public privat.

Efecte globale:

reducerea pierderilor de căldură din cadrul SACET până la 10-12%;

reducerea consumurilor specifice de energie și combustibil;

creșterea eficienței echipamentelor și instalațiilor din cadrul sistemului;

creșterea gradului de siguranță în exploatarea sistemului;

reducerea costurilor de producere a energiei;

creșterea gradului de protecție a mediului înconjurător prin reducerea emisiilor de gaze pe unitatea de energie produsă. (tetkron.ro)

Sistemele de încălzire individuale se bazează pe producerea și utilizarea energiei termice în interiorul locuinței. Acestea sunt mult mai simple din punct de vedere constructiv, având la bază o centrală termică individuală, pompă de recirculare a apei, calorifere și țevile de legătură. În figura 2.3 este prezentată schema unui sistem individual de asigurare a apei calde menajere și a încălzirii.

Figura 2.3. Schema de funcționare a centralelor termice individuale (termocaminicarinci.it)

Principalul avantaj al sistemului individual de încălzire și asigurare a apei calde menajere este dat de reducerea semnificativă a pierderilor de energie termică pe traseu. Un alt avantaj important este confortul foarte mare oferit locatarilor prin individualizarea temperaturilor dorite în fiecare încăpere și atingerea acestora în intervale de timp foarte mici. Pentru cei care călătoresc mult, acest sistem de încălzire individual înseamnă și o reducere a cheltuielilor, sistemul permițând reducerea sau chiar oprirea activității centralei.

2.2. Clasificarea sistemelor de încălzire individuale convenționale

Încălzirea cu centrală termică pe bază de gaze naturale reprezintă una dintre cele mai eficiente metode de încălzire a locuinței. Pentru sectorul rezidențial, mare consumator de energie termică, încălzirea pe bază de gaze naturale a permis utilizarea unui sistem energetic cu timp de răspuns mic la nevoile utilizatorului.

Randamentul unei centrale termice montată într-un apartament de bloc este net superior altor sisteme de încălzire unde sursa de producere a energie se află la mare distanță de locuință. Pierderile de energie pe traseul de distribuție a agentului termic în cazul centralelor termice sunt mult diminuate datorită distanțelor mici de la sursă la corpurile radiante (calorifere), practic vorbim de câțiva metri de traseu al conductelor. Toate acestea, la care se adaugă multe alte avantaje, independența, confortul, fiabilitatea, au poziționat centralele termice pe bază de gaze naturale pe primele locuri în preferințele utilizatorilor din sectorul rezidențial care au adoptat această soluție alternativă la încălzirea centralizată.

Principalele categorii de centrale termice individuale sunt:

• centrala cu tiraj natural funcționează cu o cameră de ardere deschisă astfel încât aerul necesar arderii este aspirat din încăperea unde este amplasată centrala. Din acest motiv, această încăpere se prevede cu priză de aer.

• centrala cu tiraj forțat este prevăzută cu o tubulatură concentrică de tip tub în tub, cu ajutorul căreia aerul necesar arderii combustibulului gazos este preluat din exteriorul încăperii unde este montată centrala. Pentru a prelua aerul în camera de ardere, aceasta este etanșă. Această soluție constructivă a centralei are avantajul că poate fi montată în încăperi mici.

• pentru locuințele rezidențiale se recomandă centralele murale (de perete) cu tiraj forțat.

• pentru case, vile cu suprafețe mari se recomandă centralele de pardoseală, deoarece au puteri mai mari, necesare pentru a asigura încălzirea corespunzătoare acestor suprafețe.

• centralele care funcționează pe principiul condensării recuperează o parte din vaporii de apă din gazele de ardere într-un schimbător de căldură. Condensarea se produce numai dacă temperatura apei din circuitul termic are o valoare mai mică de 55°C pe circuitul de retur, condiție necesară pentru producerea condensării.

Avantajul principal este consumul redus de combustibil și randamente mari. Totuși, condensarea nu se poate produce decât prin supradimensionarea corpurilor radiante (calorifere) astfel încât să se producă scăderea temperaturii agentului termic la valori sub 55 °C. Din acest motiv, aceste centrale termice sunt potrivite pentru locuințe cu suprafețe mari ale camerelor. În figura 2.4 este prezentată schema unei centrale termice în condensație. (engie.ro)

Figura 2.4. Centrala termică în condensație Victrix Maior (calor.ro)

2.3. Sisteme de încălzire eficiente energetic

Încălzirea eficientă a locuințelor poate fi realizată de la caz la caz, adaptându-se tehnologia existentă la condițiile de care dispune locuința. Dacă în cazul blocurilor de locuințe sau birouri este nevoie de acordul tuturor membrilor comunității pentru a se realiza sisteme ce utilizează energia termică solară, în cazul caselor situația este mult mai ușoară, fiecare având de luat decizia în funcție de necesitățile și dorințele proprii.

Sistemele energetice individuale trebuie să asigure un grad de confort ridicat, cel puțin la fel de mare ca în cazul sistemelor colective. Din punct de vedere al eficienței energetice, acestea pot fi realizte cu randamente mult superioare SACET, iar din punct de vedere financiar, costurile de operare trebuie să fie mult mai mici. Apariția panourilor solare de mare eficiență, printre care amintim de panourile cu tuburi vidate, a permis colectarea unei cantități mai mari de energie termică solară și utilizarea acesteia pentru locuințe. În figura 2.5 este prezentată schema unui sistem de încălzire și apă caldă menajeră pentru o locuință ce folosește energia solară pentru acumularea de energie termică.

Figura 2.5. Schema asigurării energiei termice mixte, centrală termică panouri solare (calorserv.ro)

Realizarea unui sistem de încălzire eficient energetic presupune existența unor panouri solare cu capacitate mare de preluare a energiei de la soare. Pompele de recirculare vor transfera căldura către boilerul prevăzut cu schimbătoare de căldură chiar și iarna, asigurând o preîncălzire a apei și o reducere a energiei termice consumate. Eficiența acestui sistem este dublată de confortul mare oferit locuitorilor casei prin sursele de energie multiple: solar, termic și electric. Asigurarea apei calde menajere din locuință se face din acest boiler, centrala termică nefiind solicitată ori de câte ori pornim robinetul de apă caldă. Cele trei surse de energie lucrează împreună ridicând temperatura din boiler și asigurând în permanență energia termică și apa caldă menajeră.

În figura 2.6 este prezentată schema componentelor unui sistem termic ce utilizează panouri solare eficiente capabile să încălzească apa din boiler. Aceste panouri solare asigură energie termică în toate anotimpurile fiind optimizate în acest sens.

Figura 2.6. Energie termo-solară (1panourisolare.ro)

Acest tip de panou solar presurizat este recomandat pentru familii compuse din 5-6 persoane și poate funcționa tot timpul anului indiferent de vreme. Pe timpul iernii într-o zi însorită cu temperaturi de , tuburile pot produce apă caldă în procent de 70 % comparativ cu perioada verii. Tipul acesta de panou solar va putea asigura apă caldă pe timpul iernii, neexistând riscul de înghet datorită agentului antiînghet folosit ce asigură transferul termic între panoul colector și boilerul cu două serpentine.

Panoul folosește tuburi vidate heat pipe de ultimă generație. Unul din avantajele acestor tuburi este acela că ele vor putea fi la fel de performante și pe timp înnorat, ploaie sau frig. In cazul avarierii unuia dintre tuburi, acesta se poate înlocui individual fără a afecta integritatea celorlalte.

Materialele folosite sunt de cea mai bună calitate pentru a elimina riscul corodării. Folosind acest tip de produs economisiți anual, peste 600 lei iar emisiile de CO2 vor fi reduse cu până la 600 kg/an.

Capitolul 3. Studiul sistemelor de încălzire a locuințelor moderne

3.1. Prezentarea locuinței și a structurii acesteia

Locuințele moderne sunt proiectate să asigure atât un grad ridicat de confort și siguranță precum și să reducă substanțial pierderile de energie termică. Ideea de confort este asociată de cele mai multe ori cu spațiul oferit de diferitele zone ale locuinței – living, dormitoare, bucătărie, băi- ca și de petrecerea timpului liber. Construcțiile moderne asociază confortului și posibilitatea menținerii unei temperaturi optime în interior, indiferent de anotimp și de temperatura exterioară.

Creșterea prețului energiei termice asociată cu cerințele europene pentru micșorarea consumului general de energie (electrică și termică) au impus tuturor proiectanților de locuințe individuale și de spații de birouri adoptarea celor mai moderne soluții pentru climatizarea locuințelor. Sistemele clasice sunt combinate la ora actuală cu soluții moderne, eficiente energetic menite să asigure confortul termic dorit la un preț cât mai mic și cu un consum energetic redus.

În această lucrare mi-am propus un studiu de caz pentru o locuință aflată în construcție care beneficiază de mai multe tipuri de sisteme de încălzire. Folosirea în mod adecvat a tehnologiei nu numai că asigură un confort termic maxim dar reduce semnificativ costurile cu energia termică. Locuința de tip familial este amplasată pe drumul european E81 (Pitești – Rm. Vâlcea) în comuna Bascov, în imediata apropiere a Municipiului Pitești (figura 3.1).

Locuința de tip unifamiliar este proiectată astfel încât să maximizeze iluminarea naturală a încăperilor reducând în același timp cantitatea de căldură ce se pierde prin ferestre. Așa cum se observă din planurile de construcție prezentate în figura 3.2, suprafețele cu vitralii au o pondere destul de mică din totalul suprafeței laterale a clădirii. Mai mult, au fost preferate în anumite zone ferestrele realizate din cărămizi de sticlă a căror pierdere de căldură este redusă în comparație cu ferestrele normale.

Figura 3.1. Locație construcție (Google Earth, 2017)

Figura 3.2. Planurile arhitecturale clădire (documentație tehnică)

Clădirea este izolată termic în exterior cu ajutorul polistirenului expandat cu grosimea de 10cm aplicat peste zidărie. În zonele menționate în figura 3.2. unde sunt aplicate elemente decorative (placaj piatră și placaj PVC imitație lemn) nu se mai aplică polistiren. Ferestrele tip cărămidă sunt utilizate din două motive principale: estetic (design stabilit de arhitect) și termoizolație foarte bună (stabilit de inginerul care a realizat documentația tehnică). Grosimea mare a cărămizilor de sticlă (10cm) asigură o bună izolație termică, permite trecerea luminii naturale și realizarea unui design deosebit, conform cu dorințele proprietarilor.

În figura 3.3 este prezentată secțiunea A/1 prin clădire iar în figura 3.4 secțiunea A/2.

Figura 3.3. Secțiunea A/1 prin clădire (documentație tehnică)

Figura 3.4. Secțiunea A/2 prin clădire (documentație tehnică)

Așa cum se observă din figurile 3.3 și 3.4, casa este compusă dintr-un ansamblu subsol, parter și etaj, în suprafață totală construită de 68,12m2 subsol, 80,79m2 parter și 88,67m2 la etaj. Suprafața utilă a locuinței este defalcată pe nivele astfel: 48,6m2 subsol, 58,45m2 etaj și 62,7m2 la etaj. Conform documentației tehnice realizată de firma SC Forum Proiect Invest SRL, suprafața totală construită este de 237,58m2 iar suprafața utilă a locuinței de 169,75m2.

Din punct de vedere tehnic, locuința este realizată din structură cu zidărie portantă, cu fundații continue sub ziduri, planșee și sâmburi din beton armat. Închiderile exterioare și compartimentele interioare sunt realizate din zidărie tip C75 și mortar M100z. Acoperișul este realizat din terasă necirculabilă, termoizolată și hidroizolată, având cota maximă la +6,05m. Dimensiunile și organizarea subsolului sunt prezentate în figura 3.5.

Figura 3.5. Plan subsol (documentație tehnică)

Subsolul are rol multiplu asigurând atât un spațiu de garaj pentru un autovehicul cât și mai multe încăperi cu rol specific. În figura 3.5 sunt detaliate planurile fiind precizate și suprafețele destinate spațiului tehnic al centralei termice (cu o suprafață utilă de aproximativ 12m2), beciului (aproximativ 12m2), magaziei (20m2) și garajului. Așa cum se observă, accesul în zona subsolului se face din interiorul locuinței, ceea ce aduce proprietarilor și avantaje și dezavantaje. Suprafața necesară casei scării se pierde din utilitatea subsolului dar se câstigă foarte mult la protecția termică a acestuia (termoizolație superioară) și la confort (acces facil în subsol). În figura 3.6 sunt prezentate planurile parterului care conțin informații despre spațiu de zi, bucătăria locuinței, baia de la parter și terasa acesteia.

Figura 3.6. Plan parter (documentație tehnică)

Un mare avantaj al proiectului prezentat este acela al lipsei unei camere (dormitor) sau al unui birou la parter. Temperaturile necesare în timpul iernii pentru un dormitor sau pentru un birou de lucru sunt în general mai mari decât pentru camera de zi. Acest fapt impune un consum de energie termică mare, suplimentar pentru întregul nivel și deci un consum mai mare pentru locuință în general. Se presupune că folosirea în acest fel a spațiului de la parter va reduce semnificativ consumul de energie termică al locuinței și creșterea eficienței energetice a acesteia. Dispunerea eficientă a spațiilor acestei locuințe continuă prin prezentarea planului etajului în figura 3.7.

Figura 3.7. Plan etaj (documentație tehnică)

Asigurarea unei eficiențe termice crescute se poate face încă din faza de proiectare a unei construcții. Din figura 3.7 se observă faptul că planul etajului este conceput pentru a minimiza pierderile de căldură prin reducerea suprafețelor ferestrelor dormitoarelor și gruparea acestora câte două, peretele comun nepierzând energie termică.

3.2. Prezentarea sistemelor de încălzire

Locuința unifamilială dispune de centrală termică proprie pentru asigurarea apei calde menajere și pentru încălzire în timpul iernii. Dimensiunile relativ mici ale locuinței, izolarea termică superioară a pereților și tavanelor, folosirea geamurilor termopan cu trei foi de sticlă precum și alegerea unor soluții diferite pentru radiatoarele termice au condus la alegerea și utilizarea unei centrale de putere relativ mică. Soluția tehnică aleasă de proiectant a fost o centrală Imergas, model Victrix Maior 35T cu puterea de 35kW. Principalele caracteristici tehnice și de performanță ale centralei termice sunt:

Funcționare în regim de încălzire:

Putere utilă max./min. – regim încălzire (40/30 °C): 37,0 / 3,9 kW

Putere utilă max./min. – regim încălzire (50/30 °C): 36,0 / 3,9 kW

Putere utilă max./min. – regim încălzire (80/60 °C): 34,2 / 3,5 kW

Domeniu de reglare temperatură încălzire: 20 – 85 °C

Presiune maximă circuit încălzire: 3 bar

Capacitate vas de expansiune circuit încălzire: 10 litri

Functionare în regim de producere ACM:

Putere utilă max./min. – regim ACM: 34,2 / 3,5 kW

Domeniu reglare temperatură ACM: 30 – 60 °C

Debit de ACM în serviciu continuu, cu delta T = 30°C: 16,8 l/min

Debit minim circuit sanitar: 1,5 l/min

Presiune maximă circuit sanitar:10 bar

Presiune dinamică minimă circuit sanitar: 0,3 bar

Eficiența:

Eficiența la putere max./min. (40/30°C): 106,0 / 107,6 %

Eficiența la putere max./min. (50/30°C): 103,2 / 107,5 %

Eficiența la putere max./min. (80/60°C): 97,9 / 96,8 %

Eficiența la 30% putere nominală (80/60°C): 103.2  %

Alimentare electrică:

Grad de protecție electrică: IPX5D

Tensiune/Frecventă: 230 / 50 V / Hz

Consum și emisii:

Consum de gaz la Pmax/Pmin cu metan (G20): 3,70 / 0,38 m3/h

Emisii CO (cu gaz natural): 24 mg/kWh

Emisii NOx (cu gaz natural): 26 mg/kWh

Clasa NOx : 5

Racorduri hidraulice:

Intrare/ieșire instalație încălzire: 3/4”

Intrare/ieșire instalație sanitară:1/2 "

Intrare gaz: 3/4”

Dimensiuni și greutate centrală:

Înalțime: 748 mm

Lățime: 440 mm

Adâncime: 276 mm

Masa centrală plină/goală: 35,8 / 33,4 kg

În figura 3.8 este prezentată schema tehnică a centralei și o fotografie a acesteia după montarea la poziție.

Figura 3.8. Centrala termică Immergas Victrix Maior 35kW

Centrala funcționează împreună cu un boiler mixt cu capacitatea de 200l fabricat de firma Eldom, model Green Line Watherheater FV20067S2. Acesta dispune de două modalități de încălzire a apei: cu ajutorul a două schimbătoare de căldură sau cu ajutorul curentului electric. Schema de funcționare a boilerului mixt Eldom Green Line este prezentată în figura 3.9 împreună cu o fotografie a acestuia din locuința studiată.

Transportul apei calde pentru încălzire și pentru apă caldă menajeră se face cu ajutorul unor țevi de cupru pentru traseele principale (diametru cuprins între 18mm și 22mm) și țevi din polipropilenă pentru încălzirea în pardoseală. Disiparea căldurii în locuință este asigurată de calorifere din oțel și de țevile de polipropilenă.

Figura 3.9. Boilerul Eldom Green Line 200l cu două schimbătoare de căldură

Traseele pentru încălzirea prin pardoseală pleacă dintr-un distribuitor standard, prezentat în figura 3.10. Acesta asigură transferul optim de căldură pentru parterul locuinței în mod uniform pe suprafața acesteia.

Numărul mare de trasee pentru țevile de polipropilenă ce asigură încălzirea în pardoseală a parterului locuinței este stabilit de numărul și suprafețele camerelor. Astfel, pentru asigurarea unei încălziri eficiente energetic și pentru menținerea confortului termic necesar locuitorilor, fiecare cameră de la parter are traseu separat de încălzire în pardoseală (sau chiar două pentru suprafețele mai mari), așa cum se observă din figura 3.10.

În plus, prin distribuitorul prezentat se pot izola rețelele de distribuție a apei calde pentru încălzire atunci când apare o avarie într-o anumită cameră. Acest sistem permite depanarea sau lucrările de întreținere a unei zone fără a fi afectată încălzirea celorlalte camere de la parter. Pompa de recirculare este fabricată de WILO și are trei trepte de putere (30W, 46W, 65W).

Figura 3.10. Distribuția apei calde pentru încălzirea în pardoseală

Subsolul, casa scărilor și etajul sunt încălzite cu ajutorul unor calorifere de oțel cu dimensiunile alese pentru a eficientiza transferul de energie termică în funcție de destinația camerei în care se află amplasate. Dormitoarele au calorifere cu dimensiunea de 600x1400mm cu un randament energetic de 1500W la o diferență de temperatură de 60oC. În zona subsolului și pe casa scării s-au folosit calorifere mai mici cu dimensiunile de 600x1000mm. Temperatura agentului de încălzire este monitorizată cu ajutorul unui termomanometru Afriso prevăzut cu o supapă de suprapresiune. În figura 3.11 este prezentată o fotografie a termomanometrului în care se observă și filtrele de apă rece utilizate pentru protecția centralei și ridicarea calității apei menajere.

Eficiența energetică a construcției a fost completată de utilizarea unor ferestre de tip termopan cu trei foi de sticlă. Folosirea acestor tipuri de geamuri reduce foarte mult pierderea de energie termică iarna și micșorează consumul de energie electrică pentru climatizare vara. În figura 3.12 sunt prezentate fotografii ale sistemului de climatizare folosit vara (aer condiționat) împreună cu fotografia geamului termopan cu trei foi de sticlă.

Figura 3.11. Termomanometrul Afriso și filtre de apă rece

Reducerea la maxim a transferului de energie termică prin componentele locuinței este completată de ușa garajului (izolată termic cu ajutorul panourilor sandwich metal-spumă termoizolantă-metal) și de izolarea termică a pereților cu ajutorul polistirenului expandat de 100mm grosime.

Figura 3.12. Asigurarea confortului termic vara și eficiența energetică

3.3. Achiziția, prelucrarea și interpretarea rezultatelor obținute

Funcționarea sistemului de încălzire a locuinței s-a efectuat de către specialiștii care l-au montat în timpul testelor de predare-primire a lucrărilor din primăvara anului 2017. Temperaturile exterioare au fost deosebit de mici, variind între -2oC noaptea și +10oC în timpul zilei, în toată perioada testelor (10 zile). Scopul testelor a fost de a demonstra funcționarea centralei termice atât pentru încălzirea locuinței cât și pentru apă caldă menajeră.

În paralel cu testele efectuate de firma constructoare, am efectuat măsurători ale temperaturii aerului în toate zonele locuinței pentru a determina eficiența energetică a acesteia și a sistemului de încălzire utilizat. Pentru măsurarea temperaturii am utilizat trei termometre de laborator digitale, calibrate în prealabil. Am preferat măsurătorile dinamice prin care am determinat creșterea temperaturii aerului în același timp pentru trei zone diferite. În figura 3.13 este prezentată o fotografie a termometrelor amplasate în același loc și prin care este demonstrată calibrarea acestora (indică aceeași temperatură cu precizia de 0,05oC = jumătate din cea mai mică diviziune afișată).

Figura 3.13. Termometre digitale calibrate

Locuința folosește mai multe sisteme de încălzire a aerului în funcție de nivel: la subsol sunt folosite calorifere, la parter este utilizată încălzirea în pardoseală iar la etaj radiatoare de oțel. Fiecare sistem a fost ales pentru a asigura în primul rând confortul termic și apoi eficiența energetică. Determinarea temperaturilor din fiecare cameră a locuinței a presupus măsurarea acestora în trei puncte de interes: la 20cm față de nivelul podelei, la înălțimea de 1m față de podea și la înălțimea de 2m. Aceste valori au fost alese pentru importanța lor în determinarea gradului de confort termic, dar și pentru că permit evaluarea eficienței energetice a sistemului de încălzire.

În figura 3.14 sunt prezentate fotografii realizate în timpul efectuării măsurătorilor temperaturii în diferite camere ale locuinței.

Figura 3.14. Măsurarea teperaturii în subsol, parter și etaj

la înălțimile față de podea de 0,2m, 1m și 2m

În camerele unde am efectuat măsurarea temperaturii am urmărit două aspecte importante: să nu amplasez termometrele lângă sursele de căldură (calorifere) și să determin temperatura în funcție de înălțimea senzorului și de timp. Pentru a putea compara eficiența energetică a sistemelor utilizate am măsurat volumul camerelor în care am amplasat termometrele cu ajutorul unui dispozitiv Makita LD050P laser. În figura 3.15 este prezentată o fotografie realizată în timpul determinării distanțelor pentru calcularea volumului camerei.

Figura 3.15. Măsurarea volumului camerelor locuinței

Măsurarea temperaturilor s-a efectuat pe parcursul a două ore, urmărindu-se evoluția temperaturii într-o zonă a locuinței de la pornirea centralei termice până la stabilirea unui echilibru termic. Pentru că locuința nu a fost dată în folosință, am setat termostatul (senzorul de temperatură ce oprește centrala) la valori mici, cu maxim 12oC mai mari decât cele din locuință în absența încălzirii acesteia. În tabelul 3.1. sunt prezentate valorile temperaturilor măsurate în subsolul locuinței.

Tabelul 3.1. Evoluția temperaturilor în subsol (garaj) volum cameră 30m3

În timpul efectuării acestor măsurători, instalația de încălzire a parterului și a etajului a fost închisă, temperaturile din aceste zone ale locuinței rămânând mici. Chiar și așa, pentru că mai existau lucrări de efectuat în aceste zone, următoarele măsurători le-am făcut în altă zi.

Acest fapt m-a ajutat la eliminarea influenței testului de la subsol asupra măsurătorilor de la parter și etaj. Căldura degajată de funcționarea centralei pentru încălzirea și testarea instalației de la subsol nu a modificat temperaturile de la parter.

În tabelul 3.2 sunt prezentate rezultatele măsurării temperaturii în funcție de înălțimea de la podea și de timp. Este știut faptul că rapiditatea cu care este încălzit aerul contribuie la creșterea confortului termic resimțit de locatari.

Mai ales în cazul caselor, după ce locatarii au fost plecați câteva zile și au lăsat instalația oprită sau setată anti-îngheț, este de dorit ca temperatură aerului să crească rapid la pornirea centralei, chiar dacă va mai dura până se vor încălzi și pereții interiori. În această zonă am observat o creștere mai rapidă a temperaturii la 0,2m de podea și o mai mică diferență între valorile celor 3 nivele de măsură.

Tabelul 3.2. Evoluția temperaturilor parter (living) volum cameră 96m3

În tabelul 3.3. sunt prezentate rezultatele măsurătorilor temperaturii efectuate la etaj într-un dormitor aflat pe partea opusă soarelui. Am ales acest dormitor pentru a micșora influența soarelui asupra creșterii temperaturii.

Tabelul 3.3. Evoluția temperaturilor etaj (dormitor 1) volum cameră 33m3

Analiza evoluției temperaturilor din cele 3 zone studiate scoate în evidență diferența de creștere a temperaturii între zonele încălzite prin pardoseală și cele încălzite cu calorifere. Această diferență este cu atât mai mare cu cât temperatura este măsurată mai aproape de pardoseală, ceea ce demonstrează faptul că acest tip de instalație de încălzire este mai eficient pentru creșterea confortului termic resimțit de locatari. Mai mult, pentru situațiile în care locuința nu a fost încălzită multă vreme și este nevoie de creșterea temperaturii, încălzirea în pardoseală este cel mai eficient sistem, crescând rapid temperatura la nivelul podelei și asigurând un confort termic maxim.

Pentru a scoate și mai bine în evidență cele prezentate, am realizat graficele dependenței de temperatură pentru cele trei zone și pentru înălțimea la care s-a efectuat măsurătoarea. În figura 3.16 este prezentat graficul creșterii temperaturii în funcție de timp pentru înălțimea de 0,2m față de podea.

Figura 3.16. Creșterea temperaturii în funcție de timp pentru distanța de 0,2m față de podea

Așa cum se observă din figura 3.16, cea mai importantă creștere a temperaturii de la 0,2m față de podea a fost înregistrată la parter, unde avem încălzire în pardoseală. Acest fapt însemnă pentru locuitori un plus de confort, la nivelul picioarelor senzația de căldură fiind evidentă. Dintre cele trei zone analizate, volumul de aer cel mai mare a fost al parterului, dar și suprafața de difuzare a căldurii a fost mai mare. Creșterea temperaturii de la acest nivel redus (0,2m) este normală, căldura fiind degajată chiar de pardoseală.

În figura 3.17 este prezentat graficul evoluției temperaturilor de la înălțimea de 1m față de pardoseală pentru cele trei zone studiate: subsol, parter și etaj.

Figura 3.17. Creșterea temperaturii în funcție de timp pentru distanța de 1m față de podea

Creșterea temperaturii la înălțimea de 1m față de podea a fost favorizată de prezența sistemului de încălzire în pardoseală (parter), după două ore de funcționare având cea mai mare temperatură. Totuși, valoarea de plecare a fost mai mare decât în cazul subsolului cu aproximativ 2,5oC. În situații similare (etaj și parter) temperatura la distanța de 1m față de podea a evoluat mai bine la parter decât la etaj, ajungând la o diferență de aproximativ 2,9oC. Valoarea mare înseamnă și o diferență mare de confort termic resimțit de un locatar ce ar sta așezat pe o canapea (la înalțimea aproximativă de 1m față de podea), cu un avantaj mare pentru parter.

Aceste considerente bazate pe confortul termic nu spun nimic despre eficiența energetică, aproape la fel de importantă pentru studiul meu ca și confortul termic. Senzația de cald oferită de încălzirea în pardoseală este asigurată de o suprafață radiantă mare, întreaga podea. Pentru a o încălzi, centrala termică trebuie să consume o cantitate mai mare de energie decât în cazul caloriferelor. În figura 3.18 este prezentat graficul temperaturilor pentru înălțimea de 2m.

Figura 3.18. Creșterea temperaturii în funcție de timp pentru distanța de 2m față de podea

Din figura 3.18 se observă un ușor avantaj al sistemului de încălzire în pardoseală, dar mult mai mic decât pentru distanța de măsură de 0,2m sau 1m. Acest fapt era de așteptat, știind că și caloriferele distribuie foarte bine căldura pe înălțime iar etajul are camere cu volum foarte mic de aer. Un alt fapt observabil este acela al creșterii aproape liniare a temperaturii la acest nivel (2m). Din momentul pornirii sursei de căldură (centrala) indiferent de modalitatea de transfer a căldurii, temperatura la înălțimea de 2m crește constant. Transferul de căldură către aerul din încăperi depinde de temperatura agentului termic, de diferența de căldură dintre agent și aerul din încăpere și de suprafața dispozitivului de transfer (calorifer, încălzire în pardoseală, panouri radiante, etc).

Analizând graficele din figurile 3.16-3.18, se observă faptul că din punct de vedere al confortului termic cea mai recomandabilă soluție este încălzirea în pardoseală. Astfel, deși temperatura medie din cameră poate fi de doar 21oC, senzația de căldură pentru acest tip de sistem termic este echivalentă cu o cameră cu temperatura medie mai mare, de 23-24oC dar încălzită cu calorifere. Acest fapt este explicabil prin distribuția mai bună a temperaturilor pe verticală și prin înălțimea medie la care ne aflăm când suntem într-o locuință. De remarcat este faptul că într-o cameră cu termostatul setat la 22oC temperatura la picioare va fi de doar 19oC pentru încălzire cu calorifere, în timp ce pentru încălzirea prin pardoseală temperatura la picioare poate fi de 20-21oC sau chiar mai mare.

Eficiența energetică a locuințelor este un factor important pentru orice familie și trebuie coroborată mereu cu gradul de confort dorit. Din punct de vedere al cantității de energie consumate pentru încălzirea aceleași locuințe dar cu sisteme termice diferite, trebuie să precizez faptul că întotdeauna se va consuma o cantitate identică de energie. Diferența esențială dintre sisteme va fi dată, deci, de senzația oferită locatarilor și de rapiditatea cu care se atinge temperatura dorită. Aceste considerente pot fi subiective și sunt greu de cuantificat într-o prezentare a sistemelor. Totuși, efectuând aceste măsurători în funcție de timp și de înălțimea punctului măsurat, mi-am dat seama că senzația de confort pe care o simt locatarii la parter, unde există încălzirea în pardoseală, este mai puternică decât la etaj sau subsol.

Un alt element ce trebuie luat în calcul este dat de funcționarea normală a centralei, în care aceasta pornește doar pentru a menține temperatura setată. Din acest punct de vedere, tot încălzirea în pardoseală va fi preferată, aceasta menținând temperaturi plăcute la nivelul podelei chiar și când centrala nu funcționează. Inerția termică mare a pardoselei este suficientă pentru ca în preajma acesteia să existe temperaturi peste 17-18oC înainte de pornirea centralei și creșterea acestora la peste 21oC.

Studiul pe care l-am efectuat în locuința din Bascov mi-a permis estimarea gradului de confort termic oferit de sistemele de încălzire a locuințelor existente la ora actuală și care utilizează o centrală termică. Măsurătorile experimentale s-au desfășurat în condiții foarte bune, locuința aflându-se în construcție și nefiind locuită. Mai mult, temperaturile de afară au fost mici, permițându-mi o plajă largă de temperaturi măsurate. Folosirea oricârui sistem de încălzire trebuie dublată de utilizarea celor mai bune materiale termoizolatoare, a geamurilor cu mai multe foi de sticlă și a ușilor de garaj termoizolante.

Concluzii

Locuința reprezintă spațiul în care ne petrecem cea mai mare parte a timpului liber. Asigurarea tuturor elementelor de confort, siguranță și recreere dintr-o locuință sunt prioritățile tuturor proprietarilor și dezvoltatorilor imobiliari. În România au început să se construiască locuințe din ce în ce mai bine reprezentate la capitolul confort, mai ales în ultimii 15-20 ani, când sistemele și instalațiile noi au ajuns în țară.

Confortul termic este una dintre condițiile elementare pe care o locuință trebuie să le ofere. Instalațiile de generare și transport ale energiei termice au evoluat rapid, atât din punct de vedere al micșorării dimensiunilor dar și din punct de vedere al eficienței energetice. Dacă la toate acestea se adaugă și termoizolarea corespunzătoare a locuinței, confortul termic este asigurat cu un consum minim de energie.

În proiectul meu de diplomă am prezentat un studiu pe care l-am efectuat într-o locuință aflată în construcție în zona Bascov, în apropierea orașului Pitești. Prezența mai multor tipuri de sisteme de încălzire mi-a permis măsurarea temperaturilor la diferite înălțimi față de podea și estimarea confortului termic asigurat. Achiziția și prelucrarea datelor experimentale a condus la următoarele concluzii:

Centralele termice folosite la ora actuală au mici dimensiuni dar puteri termice mari cu randament ridicat de transfer a energiei;

Creșterea eficienței sistemului termic al unei locuințe depinde de folosirea unor instalații suplimentare eficiente și bine calibrate (boiler de mari dimensiuni cu schimbătoare de căldură eficiente);

Indiferent de tipul instalației de încălzire utilizate, cantitatea de energie termică ce se consumă depinde doar de dimensiunea locuinței și de izolarea termică a acesteia;

Utilizarea sistemului de încălzire în pardoseală asigură cel mai ridicat grad de confort termic, mai ales din punct de vedere al temperaturilor asigurate în apropierea podelei;

Încălzirea spațiilor aflate la subsol necesită mai multă energie decât a celor aflate la parter sau etajul întâi, mai ales dacă izolarea termică este redusă sau lipsește;

Timpul de ridicare a temperaturii depinde de poziția camerei (subsol, etaj sau parter) de volumul acesteia și de tipul sistemului de încălzire, fiind mai mic pentru camerele ce utilizează încălzirea în pardoseală;

În toate zonele studiate temperatura la nivelul podelei (0,2m) a fost mai mică de cât la înălțimi mai mari (1m sau 2m);

Cele mai mari temperaturi au fost atinse la parter, în zona de încălzire în pardoseală;

Creșterea temperaturilor a fost influențată foarte puțin de condițiile meteorologice din exteriorul clădirii, măsurătorile efectuându-se în perioadă rece;

Cu ajutorul sistemului de încălzire în pardoseală se asigură un confort termic ridicat și se pot obține cel mai rapid creșteri ale temperaturii aerului;

Energia termică consumată a fost mult mai mare pentru utilizarea sistemului din pardoseală, dar și volumul de aer încălzit a fost de aproximativ 3 ori mai mare decât în zona subsolului și a etajului;

Utilizarea unui sistem eficient energetic, a unei bune izolări termice a locuinței și a încălzirii în pardoseală poate conduce la un maxim al confortului termic resimțit de locatari chiar și la temperaturi medii mai mici decât pentru alte sisteme.

Bibliografie

E. Culea, I. Coroiu, T. Ristoiu, 1998, Introducere în fizica corpului solid, Edit. Infotrade, Cluj-Napoca, 200 p.

I. Coroiu si E.Culea, 1999, Fizica, vol.I, Editura UTPres Cluj-Napoca, 230 pagini.

S. Anghel, 2015, Termodinamică, note de curs, Universitatea din Pitești, Facultatea de Științe, Educație Fizică și Informatică, Ingineria Mediului.

Chiriac F., Mihaila C., Cartas V., Ana-Maria Bianchi, 1988 , Termotehnica, Editura I.C.B., București.

Calota Sorin, 2003, Contribuții la evoluția termodinamică a incendiului într-o incintă, București.

A. Badea, 2005, Bazele transferului de căldură și masă, Editura Academiei Române, București.

Cenușă Victor Eduard, 2017, Producerea energiei electrice și termice, Universitatea Politehnică București, Seria Cursuri Universitare, București.

Kogălniceanu, A., 1986, Bazele tehnice și economice ale hidroenergeticii, Editura Tehnică, București.

Survey of Energy Resources 2001, 19th Edition, World Energy Council

Bazil Popa, 1977, Termotehnica si masini termice, Editura Didactica si pedagogica, București.

Home

https://www.termoelectrica.md/ro_RO/category/servicii/?print=print-search

http://www.enetsa.ro/index.php/content/cu-ce-venim-la-voi-acasa

http://www.tetkron.ro/sacet.pdf

http://www.termocaminicarinci.it/schema_termocucina_senza_forno.html

https://www.engie.ro/wp-content/uploads/2016/10/alegere-centrala-ENGIE.pdf

http://www.calor.ro/centrale-in-condensatie/centrale-in-condensatie-victrix-zeus-superior

http://www.calorserv.ro/articole/panouri-solare/tehnica-solara-instalarea-sistemului-solar-realizarea-instalatiei

http://www.1panourisolare.ro/panou-solar-termic-complex-cu-aport-la-incalzire-300-litri

SC Forum Proiect Invest SRL, 2012, Documentație tehnică locuință unifamiliară.