Solutii Moderne Pentru Incalzirea Electrica Rezidentiala
SOLUȚII MODERNE PENTRU
ÎNCĂLZIREA ELECTRICĂ
REZIDENȚIALĂ
CUPRINS
Capitolul 1 – NOȚIUNI FUNDAMENTALE
1.1 Caracterizarea confortului uman ambiental
1.1.1 Bilanțul termic al corpului uman
1.1.2 Caracterizarea confortului termic
1.2 Elemente de psihrometrie
1.2.1 Caracterizarea aerului atmosferic. Proprietățile aerului uscat
1.2.2 Proprietățile psihrometrice ale aerului umed
1.3 Transmiterea căldurii
1.3.1 Transferul de căldură prin conducție
1.3.2 Transferul de căldură prin convecție
1.3.3 Transferul de căldură prin radiație
Capitolul 2 – SISTEME ȘI ECHIPAMENTE DE ÎNCĂLZIRE
2.1 Sisteme de încălzire rezidențială cu combustibili fosili
2.2 Sisteme de încălzire rezidențială cu energie electrică
2.3 Comanda și controlul proceselor de încălzire rezidențială
Capitolul 3 – SOLUȚII MODERNE PENTRU ÎNCĂLZIRE
REZIDENȚIALĂ
3.1 Încălzirea cu elemente rezistive încorporate
3.2 Evaluarea sarcinii termice rezidențiale
Cap.4 PROIECTAREA UNUI SISTEM DE ÎNCĂLZIRE
REZIDENȚIALĂ CU ELEMENTE REZISTIVE
ÎNCORPORATE
4.1 Caracterizarea obiectivului propus
4.2 Dimensionarea sistemului de incalzire propus
INTRODUCERE
De ce sa alegi incalzirea electrica in pardoseala?
Iata un sistem cu adevarat eficient si estetic, economic, usor de instalat si ecologic! Atat de bun, incat era folosit inca de pe vremea romanilor, in casele marilor nobili.Cu ajutorul focului, acestia incalzeau aerul de sub pardoseala,prin canale special amenajate.Tehnologia timpurilor noastre a perfectionat acest sistem, facandu-l accesibil pentru orice camin care are nevoie de incalzire.
Principiul de funcionare este simplu si porneste de la insusirea aerului cald de a urca – acesta fiind mai usor decat aerul rece. Daca incalzesti toata suprafata pardoselii, aceasta se transforma intr-un urias radiator care isi mentine constanta temperatura, radiind treptat caldura catre restul camerei. In felul acesta, temperatura la nivelul solului este constanta (frigul nu mai vine de la picioare), iar gradul de confort sporeste. In plus, aceasta solutie este economica pentru ca reduce consumul de energie cu pana la 20%. Nu in ultimul rand este o solutie estetica – vechile radiatoare nu mai sunt necesare, lasandu-ti loc pentru creativitate nelimitata.
Specialistii in incalzirea locuintei au alcatuit o curba termica ideala pentru om, in raport cu inaltimea si temperatura incaperii. In desenul de mai jos se poate vedea ca, in cazul incalzirii prin pardoseala, curba termica este cea mai apropiata de ideal. Explicatia este simpla: corpul uman are nevoie de mai multa caldura la picioare si de mai putina la nivelul capului. Acestea sunt chiar conditiile naturale, deoarece Soarele incalzeste pamantul care, la randul lui, incalzeste aerul din vecinatatea lui. Cu ajutorul incalzirii in pardoseala, te vei simti acasa la fel de confortabil ca atunci cand te plimbi pe o plaja insorita.
Sa facem acum o comparatie intre sistemul de incalzire in pardoseala si cel traditional, cu radiatoare. In cazul incalzirii in pardoseala, aerul incalzit urca de la nivelul pardoselii, incalzind treptat aerul din camera. In felul acesta, caldura este prezenta acolo unde ai mai mare nevoie de ea, la nivelul tavanului temperatura fiind cu 4° C mai mica. Temperatura medie a camerei poate fi redusa cu cateva grade, fara a renunta la confort, dar cu economii semnificative la energie.
In cazul incalzirii cu radiatoare, aerul cald incepe sa urce de la 1m deasupra podelei, concentrandu-se inspre tavan. Ramane aici pana cand se raceste, apoi coboara transformandu-se intr-un curent rece la picioarele tale.
Si, pentru a incheia aceasta mica introducere despre incalzirea in pardoseala, mai trebuie sa stii inca un lucru: exista doua tipuri de sisteme pentru aceasta solutie termica, in functie de tipul de agent folosit:
– sisteme electrice de incalzire in pardoseala (cablurile electrice incalzesc podeaua)
– sisteme cu agent termic de incalzire in pardoseala (tevile prin care trece apa incalzita de un bolier incalzesc podeaua) Cea de-a doua varianta nu poate oferi o acoperire totala a necesarului termic, deci vor fi necesare si alte sisteme suplimentare de incalzire. In plus, aceasta varianta ridica inaltimea podelei cu 10-20cm pentru a putea fi instalata.
Cap.1 NOȚIUNI FUNDAMENTALE.
1.1 Caracterizarea confortului uman ambiental.
Confortul uman în interior (clădiri, încăperi) poate fi caracterizat prin sentimentul de "stare de bine" a ocupanților în ambientul intern. Conform normativelor (DIN) “dacă ființa umana consideră temperatura ambiantă și umiditatea aerului înconjurător ca fiind confortabile și nu dorește nici mai cald, nici mai rece, nici mai uscat și nici mai umed”, atunci se consider că sunt îndeplinite condițiile de confort ambiental.
Valoric, standardele [1] recomandă de exemplu o temperatură între 20ºC și 26ºC la un nivel al umidității relative cuprinse între 30% și 65% pentru încăperile de locuit (Fig.1.1). De asemenea, pentru mediul industrial parametrii (RH și Өamb) confortului ambiental au un rol deosebit în manifestarea performanțelor și abilităților fizice și mentale.
Fig.1.1 Caracterizarea confortului uman ambiental funcție de temperatură (θamb) și umiditatea relativă (RH)
Noțiunea de confort depinde de o serie de fenomene complexe și interconectate care implică atât criterii subiective cât și criterii obiective.
Sunt factori de ordin personal (metabolism, imbrăcămintea), parametrii de mediu măsurabili (temperatură, umiditate, presiune etc), precum și factori psihologici (culoarea, sunetul, lumina etc).
Este cunoscut faptul că productivitatea muncii suferă dacă confortul interior este precar, prin urmare sunt motive temeinice care fac ca asigurarea confortului interior să dobândească în prezent o tot mai mare importanță.
Datorită diferențelor individuale, este imposibil să definești un climat ambiental care să satisfacă pe toata lumea. Standardele SUA-A.S.H.R.A.E. (American Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineering) din 1992 specifică criterii pentru ambientul termic acceptabil pentru cel puțin 80 % dintre ocupanți. [2]
1.1.1 Bilanțul termic al corpului uman.
Corpul uman este un motor termic: convertește energia chimică din hrana consumată zilnic în căldură pentru susținerea metabolismului și lucrului, a activității. Cu cât corpul activează mai greu, cu atât mai mare nevoia de a rejecta căldura în scopul menținerii echilibrului termic al corpului. În principal, corpul uman elimină căldura în mediul ambient prin convecție, radiație sau evaporare de pe suprafața sa.
Rata producției totale de energie a corpului este :
Φ + W = M * Ap [W] (1)
unde :
Φ – este rata producției de căldură (fluxul termic)
W – este rata lucrului mecanic efectuat în unitatea de timp (puterea)
M – este rata metabolică (fluxul termic metabolic)
Ap – este aria suprafeței totale a epidermei
Rata metabolică este exprimată de obicei în unități [met] sau [M] unde [1]:
1M = 1met = 58,2 [W/m2]
Deoarece corpul menține temperature internă la o valoare aproximativ constantă de 36,8ºC, prin controlul ritmului respirației și al curgerii sângelui, un model uzual de regim staționar consideră că energia termică produsă în corp este egală cu cantitatea totală a căldurii rejectate de corp în mediu.
Φ = Φconv + Φrad + Φev.res [W] (2)
unde:
Φconv – fluxul termic transmis prin conducție și convecție de la piele la mediul ambiant [W]
Φrad – flux termic transmis prin radiație [W]
Φev.res – flux termic transmis prin evaporare și respirație de la organism la mediul ambiant [W]
Îmbrăcămintea adaugă rezistență termică fluxului termic de la piele la mediu și trebuie inclusă în model. Valoarea de izolare a hainelor se măsoară în [clo] definit ca [1]:
1 clo = 0,155 m2*K/W
Se dau în tabele valori tipice de izolație și permeabilitate pentru haine (singure) și pentru ansamble de haine. De exemplu putem avea [1]:
– minimal (costum de baie): 0,05 clo;
– șort și bluză cu mânecă scurtă: 1,2 clo;
– pantaloni și bluză cu mânecă scurtă: 1,2 clo;
– pantaloni și bluză cu mânecă lungă: 1,21 clo;
– pantaloni și bluză cu mânecă lungă și sacou: 1,54 clo;
– pantaloni și bluză cu mânecă lungă și pullover cu mâneca lungă: 1,56 clo.
Fluxul termic transmis prin conducție și convecție este:
Φ conv = Ah * άconv * (Thp – Ta) [W] (3)
unde:
Ah – aria suprafeței hainelor și pielii în contact cu aerul [m2]
άconv – coeficientul mediu de transfer termic prin conducție și convecție [W/m2*K]
Thp – temperatura medie hainelor și a pielii în contact cu aerul [K]
Ta – temperatura volumică a aerului uscat înconjurător [K]
Procesul radiant este mult mai complicat deoarece diferite suprafețe ale camerei pot avea diferite temperaturi, se operează de aceea cu temperatura radiantă medie a ambientului (Tarm). Pierderile de căldură prin radiație ale corpului uman pot fi exprimate ca :
Φrad = Ah * άrad * (Thp – Tarm) [W] (4)
unde:
άrad – coeficientul de transfer termic prin radiație, liniarizat [W/m2*K]
Pierderile de căldură prin evaporare la nivelul pielii (transpirație) și prin respirație (Φev.res) se evalueaza în funcție de umiditatea pielii, permeabilitatea hainelor, temperatura corpului și temperatura aerului înconjurător.
1.1.2 Caracterizarea confortului termic
Parametrii ambientali sunt factori primari folosiți pentru caracterizarea confortului uman. Sunt, de asemenea și factori secundari ca de exemplu, neuniformitatea mediului ambiant, stimuli vizuali, vârstă, climatul exterior. Studii efectuate asupra câtorva mii de subiecți umani relevă corelații intre nivelul de confort și temperatura, umiditatea, sexul,durata expunerii etc.
Scala senzației termice (conform A.S.H.R.A.E.) constă in valori PMA (punctajul mediului ambiant) [2]:
+3 – fierbinte -3 – frig
+2 – cald -2 – rece
+1 – călduă 0 – neutru -1 – răcoros
Indexul relevant de acceptare a mediului ambiant interior este PMA, a carui valoare se obține funcție de votul subiecților testați în anumite condiții de temperatură, umiditate, viteza curenților de aer, durata de expunere, diferențiat pe sexe; se considera că domeniul acceptabil este intervalul [-1 ; +1]. Utilizând criteriul procentajului persoanelor nesatisfacute (PPN) de condițiile ambientale (definit prin numărul persoanelor care au votat in afara domeniului [-1 ; +1]), o reprezentare grafica PPN în funcție de PMA pentru un număr suficient de mare de subiecți testați duce : 1,56 clo.
Fluxul termic transmis prin conducție și convecție este:
Φ conv = Ah * άconv * (Thp – Ta) [W] (3)
unde:
Ah – aria suprafeței hainelor și pielii în contact cu aerul [m2]
άconv – coeficientul mediu de transfer termic prin conducție și convecție [W/m2*K]
Thp – temperatura medie hainelor și a pielii în contact cu aerul [K]
Ta – temperatura volumică a aerului uscat înconjurător [K]
Procesul radiant este mult mai complicat deoarece diferite suprafețe ale camerei pot avea diferite temperaturi, se operează de aceea cu temperatura radiantă medie a ambientului (Tarm). Pierderile de căldură prin radiație ale corpului uman pot fi exprimate ca :
Φrad = Ah * άrad * (Thp – Tarm) [W] (4)
unde:
άrad – coeficientul de transfer termic prin radiație, liniarizat [W/m2*K]
Pierderile de căldură prin evaporare la nivelul pielii (transpirație) și prin respirație (Φev.res) se evalueaza în funcție de umiditatea pielii, permeabilitatea hainelor, temperatura corpului și temperatura aerului înconjurător.
1.1.2 Caracterizarea confortului termic
Parametrii ambientali sunt factori primari folosiți pentru caracterizarea confortului uman. Sunt, de asemenea și factori secundari ca de exemplu, neuniformitatea mediului ambiant, stimuli vizuali, vârstă, climatul exterior. Studii efectuate asupra câtorva mii de subiecți umani relevă corelații intre nivelul de confort și temperatura, umiditatea, sexul,durata expunerii etc.
Scala senzației termice (conform A.S.H.R.A.E.) constă in valori PMA (punctajul mediului ambiant) [2]:
+3 – fierbinte -3 – frig
+2 – cald -2 – rece
+1 – călduă 0 – neutru -1 – răcoros
Indexul relevant de acceptare a mediului ambiant interior este PMA, a carui valoare se obține funcție de votul subiecților testați în anumite condiții de temperatură, umiditate, viteza curenților de aer, durata de expunere, diferențiat pe sexe; se considera că domeniul acceptabil este intervalul [-1 ; +1]. Utilizând criteriul procentajului persoanelor nesatisfacute (PPN) de condițiile ambientale (definit prin numărul persoanelor care au votat in afara domeniului [-1 ; +1]), o reprezentare grafica PPN în funcție de PMA pentru un număr suficient de mare de subiecți testați duce la o distribuție tipică. (Fig.1. 2)
Fig.1.2 Reprezentarea grafică a corelației PPN = f (PMA)
Se remarcă faptul că și în condiții optime (adică la PMA = 0), cel puțin 5% din subiecți sunt nemulțumiți din punct de vedere al confortului termic. Standardele în domeniu (A.S.H.R.A.E.) precizează limitele zonei de confort termic acolo unde 80% din subiecți declară confort termic (respectiv PPN – 20%).
De exemplu pentru persoane, în anumite condiții (activitate sedentară ușoară: ≤ 1.2 met, umiditatea relativă 50%, viteza medie a aerului ≤ 0.15 m/s) se dau [2] valori optime și domeniul acceptabil de temperatură caracteristice zonei de confort termic: (Tab. 1)
Tab. 1
Cu cât ne abatem de la aceste valori, cu atât va crește procentajul persoanelor nemulțumite. De asemenea, se remarcă diferențele vară-iarnă datorită valorilor diferite de izolare termică a îmbrăcăminții specifice anotimpului.
1.2 ELEMENTE DE PSIHROMETRIE
Psihrometria [1],[2],[3] este studiul proprietăților aerului umed, adică a mixturii aerului și a vaporilor de apă. Psihrometria este fundmentală în înțelegerea diferitelor procese legate de condiționarea aerului. Aerul atmosferic nu este niciodată total uscat: totdeauna conține vapori de apă în proporții variabile. Așa cum cantități relativ mici de materiale de aliere influențează puternic proprietățile fizice ale oțelurilor, cantități mici de umiditate au o mare influență asupra confortului uman.
1.2.1 Caracterizarea aerului atmosferic. Proprietățile aerului uscat
Aerul atmosferic este un amestec de câteva gaze, vapori de apă și numerosi poluanți, compoziție care variază considerabil de la o locație la alta. Compoziția aerului uscat este relativ constantă și variază puțin cu timpul, locația și altitudinea.
Se consideră că aerul uscat se comportă ca un gaz perfect (compus din particule fără structură și fără dimensiuni).
Atmosfera standard [4] se definește în condiții standard caracterizate prin parametrii :
– Accelerație gravitațională constantă: 9,807m/s2;
– Temperatura la nivelul marii: 15ºC sau 288,1K;
– Presiunea la nivelul mării: 101,325kPa;
– Masa moleculară a aerului uscat: 28,965.
În aplicațiile E.I.V.A.C, mixtura diferitelor componente care constituie aerul uscat este considerată ca un gaz unic.
Proprietatea reprezintă orice atribut sau caracteristică a materiei ce poate fi observată sau evaluată cantitativ, astfel ne vom referi în continuare la proprietățile aerului uscat:
a.) Temperatura (Ө)
Indică starea termincă a unui corp și abilitatea sa de a schimba energia cu alt corp în contact cu el. Puncte de referință :
0ºCelsius sau 273,15K – punctul de înghețare al apei;
100ºCelsius sau 373,15K – punctul de fierbere al apei;
În sistemul internațional avem scara Kelvin [5]:
T [K] = Ө [ºC] + 273,15 (5)
b.) Presiunea (p)
Reprezintă forța normal exercitată de un fluid pe unitatea de suprafață. Presiunea absolută reprezintă valoarea masurată deasupra lui zero. Presiunea relativă reprezintă valoarea masurată deasuprea presiunii atmosferice existente. În sistemul internațional, presiunea se măsoara în Pascal (Pa), iar presiunea atmosferică standard este de 101,325kPa.
c.) Densitatea (ρ)
Reprezintă masa unității de volum. Densitatea aerului la presiune atmosferică standard și 25 ºC este de 1,2kg/m3. Densitatea vaporilor și a gazelor este afectată și de temperatură, și de presiune. Densitatea lichidelor este funcție doar de temperatură. Se mai folosește si volumul specific (m3/kg) care reprezintă volumul ocupat de unitatea de masă.
d.) Energia internă (u)
Se referă la energia posedată de o substanță datorită mișcării și poziției moleculelor sau doar de poziția acestora. Astfel rezultă energia internă cinetică (datorită vitezei moleculelor) și energie internă potențială (datorită forțelor de atracție dintre molecule). Schimbări în viteza medie a moleculelor sunt indicate prin schimbări de temperatură a corpului.
e.) Entalpia (h)
Entalpia reprezintă suma dintre energia internă (u) și lucrul mecanic aplicat fluidului (p*v), pentru a-l forța într-un volum controlat. Valorile entalpiei se dau la o temperatură specificată.
f.) Căldura specifică (c)
Căldura specifică a unei substanțe este cantitatea de energie necesară pentru a-i crește tempertura cu 1grad la unitatea de masă. Pentru gaze sunt două cazuri :
căldura specifică la volum constant: cv = du/dT
căldura specifică la presiune constantă: cp = dh/dT
Pentru aer uscat: cp = 1,00kJ/kgK
Pentru apă (în stare lichidă): c = 4,19kJ/kgK
Pentru vapori de apă: cp = 1,86kJ/kgK
g.) Faza
Este o cantitate de materie omogenă în compoziția sa chimică și structură fizică.
O substanță pură este uniformă și invariabilă în compoziția sa chimică, dar ea poate să existe în mai multe faze, ca de exemplu: mixtură de apă lichidă și vapori de apă (aburi). Dar o mixtură de gaze (aerul) nu reprezinta o substanță pură. Totuși, dacă nu este implicată o schimbare de fază, aerul poate fi considerat ca o substanță pură.
h.) Legea gazelor ideale (perfecte)
Este o relație între presiune, volum specific și temperature absolută a substanței:
p * v = R * T (6)
unde:
p [Pa] – presiunea absolută
v [m3/kg] – volumul specific
T [K] – temperatura absolută
R – constanta gazelor (pentru aer – 287 [J/kg*K])
1.2.2 Proprietățile psihrometrice ale aerului umed
Cantitatea de vapori de apă conținuți în aer poate varia de la aproape zero (aer uscat) până la un maxim (aer umed saturat) determinat de temperatura și presiunea mixturii.
Conținutul de umiditate (x) este raportul dintre masa vaporilor de apă mv [kg] și masa aerului uscat ma [kg] dintr-un volum dat V [m3] de aer umed :
x = mv / ma (7)
Considerând aerul uscat ca un gaz unic ce ascultă de legea gazelor perfecte, presiunea totală (p) a aerului umed este egală cu contribuția individuală a presiunii parțiale (pa) a aerului uscat și a presiunii parțiale (pv) a vaporilor de apă, conform legii lui Gibbs-Dalton pentru o mixtură de gaze perfecte :
p = pa + pv [Pa] pv<< pa (8)
Presiunea parțială maximă a vaporilor de apă conținuți în aerul umed este presiunea de saturație (pvs) care depinde numai de temperatura mixturii și este independentă de presiunea totală. Valori pentru pvs se obțin din tabele sau din diagrame psihrometrice [6], funcție de Өamb. De exemplu la 20ºCelsius pvs=2338,1Pa, de circa 42 de ori mai mică decât pa la presiunea atmosferică de 101,325kPa.
Aerul umed în care pv<pvs este aer umed nesaturat, iar la pv=pvs este aer umed saturat. Aplicând legea gazelor perfecte, conținutul de umiditate (x) în aceste cazuri se poate exprima sub forma :
x = 0,622 * pv / (p – pv) (9)
xmax = xs = 0,622 * pvs / (p – pvs) (10)
Deci conținutul de umiditate maxim (xs) depinde de presiunea aerului umed și de temperatura aerului umed (prin pvs, din tabele psihrometrice); la p = constant, xs este cu atât mai mare cu cât temperatura este mai mare.
Răcirea izobară a aerului umed nesaturat conduce la atingerea stării de saturație; temperatura la care presiunea parțială a vaporilor devine egală cu presiuena de saturație (pv = pvs) este temperatura punctului de rouă (DEW point). Răcirea izobară ulterioară a aerului (sub temperatura de rouă) conduce la condensarea unei părți din vapori, inseamnă că pv scade.
Se definește umiditatea absolută ca fiind cantitatea de vapori de apă conținută în unitatea de volum de aer umed (adică densitatea vaporilor de apă din aerul umed) :
U = mv / V = pv / (Rv * T) [kg/m3] (11)
unde:
Rv – constanta gazelor (pentru vapori de apă – 461,5 [J/kg*K])
Valoarea maximă a umidității absolute apare în starea de saturație a aerului umed (fie prin introducerea treptată de vapori de apă în aer, la temperatura dată, fie prin scăderea temperaturii T):
Umax = Us = pvs / (Rv * T) [kg/m3] (12)
Umiditatea relativă (RH [%]) se definește ca raport procentual între umiditatea absolută a aerului umed (U)și valoarea maxima corespunzătoare stării de saturație (Us) la o temperatură dată.
RH [%] = (U / Us) * 100 [%] = (pv / pvs) *100 [%] (13)
Se mai poate defini ca raport între presiunea parțială a vaporilor de apă (pv) și presiunea parțială de saturație a vaporilor de apă (pvs) la aceeași temperatură. RH [%] este cel mai frecvent utilizat în aplicațiile comerciale pentru a indica nivelul de umiditate din aer: pentru aerul uscat RH = 0%, iar pentru aerul umed saturat RH = 100%.
Densitatea aerului umed se exprimă conform definiției :
ρ = (ma + mv) / V = (3,48*p – 1,31*pv) * 10-3 /T [kg/m3] (14)
făcând înlocuirile de rigoare, a doua expresie arată că la p = constant, densitatea aerului umed scade cu umiditatea și cu temperatura.
1.3 Transmiterea căldurii.
Transferul de căldură [7]este un proces important, parte integrantă a mediului nostru ambiant și a vieții cotidiene. Procesul de transfer de căldură între două medii apare ca rezultat al diferenței de temperatură dintre ele (de la temperatura mai mare la temperetatura mai mică) în trei moduri distincte: conducția, convecția și radiația. Fiecare dintre aceste moduri de transfer de căldură pot fi cuantificate prin ecuații specifice.
1.3.1 Transferul de căldură prin conducție
Conducția este procesul de transfer al căldurii care apare în solide, lichide și gaze prin interacțiunea moleculară ca rezultat al gradientului de temperatură. Transferul de energie între moleculele adiacente apare fără deplasari fizice semnificative ale moleculelor.
Rata trasnferului de căldură prin conducție poate fi evaluată prin legea Fourier unde efectul interacțiunii moleculare în transferul de căldură este exprimat ca o proprietate a mediului numită conductivitate termică. Pentru caz staționar, unidimensional, legea Fourier:
Φcond = λ*A*(dT/dx ) (15)
unde :
Φcond – rata transferului de căldură (fluxul termic) prin conducție [W]
λ – conductivitatea termică [W/mK]
A – aria suprafeței de schimb [m2]
dT/dx – gradientul de temperatură [K/m]
Studiul conducției termice este un domeniu bine dezvoltat în care sunt utilizate tehnici numerice și analitice sofisticate pentru a soluționa multe probleme în clădiri, inclusiv calculul sarcinii termice de încălzire sau răcire.
În continuare se tratează bazele transferului de căldură prin conducție în regim staționar, unidimensional, prin medii omogene. Legea Fourier spune că rata transferului de căldură prin conducție este direct proporțională cu gradientul de temperatură și cu aria suprafeței prin care trece fluxul termic. Constanta de proporționalitate (λ) este conductivitatea termică a mediului (o propietate fizică a acestuia) [8].
Fluxul termic unidirecțional staționar printr-un mediu omogen (de exemplu – perte plan de grosime L) este:
cond = λ*A* (T1-T2 )/L (16)
Pe seama analogiei formale între circuitele electrice și circuitele termice, se utilizează noțiunea de rezistență termică, exprimată din legea conducției Fourier ca :
Rterm = L / (λ* A) [K/W] (17)
Rezistența termică pentru pereți neomogeni (stratificați), plani sau cilindrici se tratează în detaliu în literatura de specialitate pentru diferite cazuri întâlnite în practica inginerească la soluționarea transferului termic. Se utilizează noțiunea de densitate de flux termic ca fiind rata transferului de căldură raportată la unitatea de suprafață:
q = Φ / A [W/m2] (18)
1.3.2 Transferul de căldură prin convecție
Este procesul de transmitere al căldurii prin deplasarea particulelor materiale încălzite dintr-un loc în altul, dacă există o diferență de temperatură. Se formează deci un transport de materie și cu acesta un transport de căldură (încălzirea încăperilor de la sobe sau calorifere are loc prin transmiterea căldurii prin convecție naturală, iar când curentul de fluid se datoreză unei forțe de altă natură, atunci transmiterea se face prin convecție forțată).
Fluxul termic transmis prin convecție (Φconv) de la un perete cald (Tp) la un fluid mai rece (Tf<Tp) se obține din formula lui Newton:
conv = αc * Ac * (Tp – Tf) [W] (19)
unde :
αc – coeficientul de transmisie al căldurii prin convecție [W/m2*K]
Tp – temperatura peretelui [K]
Tf – temperatura medie a fluidului [K]
Ac – aria suprafaței de schimb termic [m2]
Transmisivitatea căldurii prin convecție depinde de :
-proprietățile fizice ale fluidului (conductivitate termică, căldura masică, densitate etc)
-natura mișcării fluidului (liberă = circulație naturală a fluidului; forțată = circulația fluidului se datorează unei acțiuni mecanice – pompă, ventilator);
-regimul de curgere al fluidului, caracterizat de numărul Reynolds (Re):
curgere laminară – Re < 2100;
curgere în regim tranzitoriu – 2100<Re<600;
curgere turbulentă – Re>6000.
Criteriile adimensionale (Re – Reynolds; Gr – Grashopf; Pr – Prandtl; Nu – Nusselt) sunt utilizate la evaluarea transmiterii căldurii prin convecție și se exprimă funcție de: viteza fluidului, lungimea caracteristică a curgerii, vâscozitatea cinematică sau dinamică, coeficientul de dilatare volumică a fluidului, densitatea fluidului, caldură masică, difuzivitatea termică a fluidului etc.
Datorită dificultății de rezolvare teoretică calculul transmiterii căldurii prin convecție se bazează pe rezultate experimentale, exprimate prin aceste criterii de similitudine.
Transportul de energie (transferul de căldură) în fluide apare uzual prin mișcarea particulelor fluidului. În multe problem inginerești, fluidele vin în contact cu suprafețe solide care sunt la temperaturi diferite de temperatura fluidului. Diferența de temperatură și mișcarea aleatoare sau volumică a particulelor fluidului conduc la un process de transport de energie cunoscut cu numele de transferul de căldură prin convecție. Convecția este mai conplicată decât conducția deoarece mișcarea fluidului, precum și procesul de transport de energie trebuie să fie studiate simultan. Transferul de căldură prin convecție poate fi creat prin forțe externe (pompe, ventilatoare etc) intr-un process numit convecție forțată. În absența forțelor externe, procesul de convecție poate rezulta pe seama gradientului de temperatură sau de densitate în fluid, în acest caz procesul de transfer de căldură este numit convecție naturală.
Principala necunoscută în procesul de convecție este coeficientul de transfer (αc). Pentru a explica procesul de transfer de căldură prin convecție (Fig.1. 3) considerăm un fluid cu teperatura T și viteza volumică u care curge peste o suprafață fierbinte. Ca rezultat al forțelor vâscoase care interacționează între fluid și suprafața solidă, în fluid se creeaza o zona numită strat limită de viteză (δu) în apropierea suprafeței solide.
Fig.1.3 Explicativă pentru transmiterea căldurii prin convecție
δ – strat limită de viteză δT – strat limită de temperatură
În această zonă viteza fluidului este zero la suprafața solida și crește la viteza volumică a fluidului u pentru y>δu. Din cauza deferenței de temperatură ditre fluid și suprafață, în apropierea suprafeței se dezvoltă de asemenea o zonă numită strat limită de temperatură (δT) unde temperatura din fluid variază de la Tp (temperatura peretelui) la T (temperatura volumică a fluidului). În funcție de difuzivitatea termică și vâscozitatea cinematică a fluidului, grosimile straturilor limită pot fie gale sau diferite (δu>,=,< δT). în imediata vecinătate a suprafeței solide (u=0) fluidul este staționar, prin urmare transferul de căldură la interfață apare doar prin conducție. Dacă ar fi cunoscut gradientul de temperatură la interfață, schimbul de căldură solid-fluid s-ar putea calcula cu ecuația (1), unde λf este conductivitatea termică a fluidului, în acest caz, iar dT/dy (conform Fig.1.3) este gradientul de temperatură la interfată. Totuși, gradientul de temperatură la interfață depinde de mișcarea macroscopică și microscopică a particulelor de fluid. Cu alte cuvinte, căldura transmisă la suprafața și de la suprafața solidă depinde de natura curgerii. Prin urmare, în soluționarea problemelor inginerești de convecție este necesară determinarea relației dintre transferul de căldură prin interfața solid-lichid și diferența de temperatură între peretele corpului solid și volumul fluidului. Coeficientul mediu de transfer de căldură prin convecție (αc) depinde de geometria suprafeței, de viteza fluidului precum și de proprietățile fizice ale fluidului.
În funcție de variația parametrilor menționați, evident că și coeficientul de transfer (αc) poate varia în proces, astfel încât valorile locale pot fi diferite de cea medie. Totuși pentru majoritatea aplicațiilor practice, este de interes coeficientul mediu de transfer prin convecție.
Convecția naturală
Transferul de căldură are loc datorită diferențelor de densitate în interiorul fluidului. Aceste diferențe pot rezulta din gradienții de temperatură care există în fluid. Când un corp încălzit (sau răcit) este plasat într-un fluid rece (sau cald), diferența de temperatură fluid-corp cauzează un flux de căldură între ele, rezultând un gradient de densitate în fluid. Ca rezultat al acestui gradient de densitate, fluidul de joasa densitate se ridică iar cel de înaltă densitate coboară. Coeficientul de transfer de căldură este în general mai mic decât convecția forțată pentru că forțele care acționează pentru amestecarea sau curgerea fluidului sunt mai mici.
Convecția naturală este și ea de două feluri: convecția naturală externă și convecția naturală internă. Convecția naturală de transfer de căldură de la suprafețele exterioare ale corpurilor de diferite forme s-a studiat de mulți cercetători. Experimental, au rezultat ecuații de tipul :
Nu = αc * L / λf = f (Ra) (20)
unde:
-Nu este numărul NUSSELT, acesta dă o măsură a transferului de căldură prin convecție care apare între o suprafață solidă și fluid.
-λf este conductivitatea termică a fluidului.
-Ra este numărul RAYLEIGH, reprezintă raportul între forțele de rezistență și rata de schimb a momentului.
-L este lungimea caracteristică de curgere.
Dacă se știe Nu, se poate calcula αc.
Pentru diferite geometrii uzuale, în literatură se dau relațiile [9;10] concrete de calcul pentru convecție externă: experimental s-a constatat că pentru convecția naturală externă la corpuri de forme oarecare sau arbitrare, se pot utiliza relațiile de calcul pentru corpuri regulate (sferă, cilindru etc). O corelație extensivă pentru prezumtivul transfer de ăldură prin convecție naturală de la corpuri de formă arbitrară este utilă pentru multe situații din cazul clădirilor. Transferul de căldură prin convecție naturală internă apare în multe probleme inginerești ca: pierderi de căldură de la pereții cladirilor, ferestrelor cu două geamuri, colectoare solare tip placă plană, etc. Unele geometrii și numărul Nu corespunzător sunt date în literatură.
Convecția forțată
Transferul de căldură este creat prin mijloace auxiliare, ca de exemplu pompe sau ventilatoare, sau prin fenomene naturale, ca de exemplu vântul. Acest tip de procese apar în multe aplicații inginerești ca de exemplu curgerea fluidelor fierbinți sau reci în conducte în variante cicluri termodinamice folosite pentru refrigerare, producere de energie electrică, încălzirea sau răcirea clădirilor. Ca și la convecția naturală, principala dificultate la soluționarea problemelor de convecție forțată este determinarea coeficientului de transfer de căldură (αc).
Procesele de transfer de căldură prin convecție forțată sunt de două categorii :
-convecție forțată cu curgere externă;
-convecție forțată cu curgere internă;
Problemele de convecție forțată externă sunt importante pentru că ele apar în variate aplicații inginerești (pierderile de căldură de la pereții exterior ai clădirilor în condiții de vânt, pierderile de căldură de la radiatoarele cu aburi etc.). Pentru rezolvarea acestor probleme, cercetătorii au efectuat multe experimente pentru a dezvolta corelații pentru evaluarea transferului de căldură. Au rezultat ecuații de forma:
Nu = f (Re) * g(Pr) (21)
unde:
f și g reprezintă dependența funcțională a numărului Nusselt de numerele Reynolds și Prandtl.
Re = numarul Reynolds, este adimensional și reprezintă raportul forțelor de inerție și forțele vâscoase.
Pr = numarul Prandtl, este raportul între difuzivitatea momentului și difuzivitatea termică.
Pentru geometrii uzuale întâlnite la proiectarea unor aplicații industrial ca de exemplu schimbătoarele de căldură (care funcționează cu convecție forțată) se dau în literatură relațiile concrete de calcul (tabele) [9;10].
Convecția forțată în spații închise este de asemenea de mare interes și are multe aplicații inginerești: curgerea fluidelor reci sau calde prin conducte și transferul de căldură asociat este important în multe procese inginerești E.I.V.A.C. Transferul de căldură asociat convecției forțate interne se exprimă prin ecuații de forma :
Nu = f(Re) * g(Pr) * e(x/Dh) (22)
unde:
f, g, e reprezintă dependențele funcționale ale numarului Nu de numerele Re, Pr și respectiv de x/Dh.
Dependența funcțională de x/Dh devine importantă pentru conducte scurte în curgere laminară.
Dh este diametrul hidraulic al conductei, definit ca :
Dh = 4 * aria secțiunii transversale de curgere / perimetrul udat și este folosit ca lungime caracteristică pentru Nu, Re.
În literatură se dau soluții analitice pentru calculul transferului de căldură și al coeficienților de frecare pentru curgere laminară prin conducte de diferite secțiuni. Deoarece rata transferului de căldură este direct proporțional cu aria suprafeței de schimb, în tehnică se folosesc pe scară largă țevi cu aripioare pentru a crește rata transferului de căldură în scopuri de încălzire sau răcire.
1.3.3 Transferul de căldură prin radiație
Radiația termică este un proces de transfer de căldură care apare între oricare două obiecte care sunt la temperaturi diferite. Toate obiectele emit radiație termică în virtutea temperaturii lor. Științific, se consider că radiația de energie termică emisă de o suprafață se propagă prin mediul înconjurător, fie prin unde electromagnetice fie prin fotoni. În vid, radiația se propagă cu viteza luminii (c0 = 3*108 m/s), iar într-un mediu fizic oarecare, cu viteza c < c0 funcție de indicele de refracție al mediului :
c = λ * υ = c0 / n (23)
unde :
λ = lungimea de undă [m]
υ = frecvența [s-1]
n = indicele de refracție a mediului
Lungimea de undă a radiației depinde de frecvența sursei și de indicele de refracție a mediului prin care se propagă. Radiația termică poate apărea într-un domeniu larg de lungimi de undă: 0,7-100μm.
Radiația incidentă pe suprafața unui obiect (Fig.1. 4) este parțial reflectată, parțial absorbită și transmisă. Fracțiunea reflectată este numită ρ – reflectivitate (reflectanță), cea transmisă prin “transparență” τ – transmisivitate (transmitanță) și cea absorbită α – absorbitivitate (absorbitanță), iar:
α + ρ + τ = 1 (24)
Fig.1. 4 Propagarea radiațiilor
Reflexia poate fi regulată (cazul suprafețelor oglindate) sau difuză (cazul suprafețelor rugoase uzuale). Mărimea relativă a acestor factori poate fi :
-Obiect opac (τ = 0 și α + ρ = 1)
-Obiect reflector perfect (ρ = 1, α =0 și τ = 0)
De exemplu, la temperatura de suprafață a soarelui (5800 K), majoritatea energiei este emisă în jurul lungimii de undă de 0,8μm. Procesele termice în cadrul clădirilor (industriale și civile) au loc la 10μm. Încălzirea globală este o consecință a cantității crescute de CO2 în atmosferă. Acest gaz absoarbe radiația solară la lungimi de undă mai mici, dar este opac față de radiația emisă de pe pământ la lungimi de undă mari, astfel captează energia termică și cauzează o încălzire graduală a atmosferei, ca în seră.
Procesul radiației termice se abordează teoretic pe baza conceptului de „corp negru” (radiator perfect, care emite și absoarbe cantitatea maximă de radiație la orice lungime de undă) cu setul de relații: Legea Stefan – Boltzmann, Legea Planck și Wien, Legea lui Kirchhoff.
Distribuția spectrală și amplitudinea radiației termice emise de un obiect depinde esențial de temperatura sa absolută și de natura suprafeței sale :
(Legea Stefan – Boltzmann a radiației)
Φrad = A1 * F1-2 * σ * (T14 – T24) [W] (25)
unde:
A1 – aria suprafeței emițătoare [m2]
F1-2 – factor de formă a radiației (radiația emisă de A1 și receptată de A2 / radiația totală emisă de A1)
σ – 5,676 * 10-8 [w/m2*K4] – constanta Stefan – Boltzmann (coeficientul de radiație a „corpului negru”)
T – temperatura absolută a corpului emițător (1) și a receptorului (2) [K]
Emisivitatea (ε) unei suprafețe la temperatura T este definită ca raport între energia totală emisă de obiect și energia pe care ar emite-o corpul negru la aceeași temperatură T. Pentru corpul negru ideal avem: εCN = 1 și absorția αCN = 1
Un caz special este așa numitul corp gri a cărui suprafață are emisivitatea spectrală și absorbitivitatea independente de lungimea undei :
ελ = εmed și αλ = αmed .
În aplicațiile tehnice corpurile și suprafețele reale nu sunt negre, nu sunt gri, dar în anumite cazuri pot fi echivalate aproximativ. Pentru cazurile din practică, în literatură se dau valori pentru ε tabelar [10].
Factorul de formă (F1-2) al radiației (factor de vizare) se abordează doar în cazul suprafețelor caracterizate prin reflexie difuză. Multe suprafețe reale din cadrul aplicațiilor industrial se regăsesc în acest caz. Factorul de formă soluționează problema: cât de mult din radiația emisă de o suprafață este receptat de o alta suprafață. În literatură, se dau tabelar, relații particulare sau concrete de calcul al factorului de formă pentru diferite configurații geometrice uzuale în practică.
Cap.2 SISTEME ȘI ECHIPAMENTE DE ÎNCĂLZIRE.
2.1 Sisteme de încălzire rezidențială cu combustibili fosili.
Sunt dispozitive ce convertesc energia chimică din combustibili în căldură prin ardere (reacție de oxidare exotermă).
O evaluare comparativă [11] a costurilor la încălzirea cu combustibili fosili a unei case familiale, la nivelul anului 2008 în Germania este:
Necesarul anual de căldură: 33,540 kwh (necesar mediu lunar: 2,795kwh / lună)
Necesarul corespunzător de combustibili:
Păcură 3000 litri /an – 250litri / lună – preț 0,849 euro/litru;
Gaz 33,540 kWh/an – 2795 kWh/lună – preț 0,075 euro/kwh;
Cărbuni, brichete 5600 kg/an – 467kg/lună – preț 0,267 euro/kg;
Lemn fag: 17,7mc/an – 1,475mc/lună – 74 euro/mc;
Peleți lemn : 6100kg/an – 508kg/lună – preț 0,19 euro/kg.
Fig.2. 1 Prețuri comparative pentru încălzirea rezidențială cu combustibili fosili
Procesul de combustie este o reacție chimică guvernată de principiul stoichiometric. Pentru analiza combustiei să luăm de exemplu gazul natural și presupunem că are un conținut 100% metan. Reacția de ardere/oxidare este (1):
CH4 + 2O2 => CO2 + 2H2O (1)
unde masele molecular sunt:
Metan (CH4) = 16
Oxigen (O2) = 32
Dioxid de carbon (CO2) = 44
Apă (H2O) = 18
Rezultă că pentru o ardere completă este necesară o cantitate teoretică de 4kg de oxigen la 1kg metan și cum în compoziția aerului atmosferic oxigenul este 23% masic, înseamnă că pentru arderea completă a 1kg metan sunt necesare 17,4kg aer, teoretic.
În echivalent volumic (conform legii lui Avogadro), pentru arderea completă a unui mc de metan sunt necesari 8,7mc aer, teoretic, rezultând o energie termică de aproximativ 37,26MJ (sau 8,899kcal, sau 10,35kWh) corespunzător puterii calorice a gazului metan
Arderea incompletă duce la producerea monoxidului de carbon (CO) – TOXIC- în gazele de ardere pe lângă înrăutățirea randamentului energetic. Pentru a evita arderea incompletă se practică de regulă furnizarea în exces a aerului pentru ardere; cantitatea de aer în exces se exprimă prin fracția de exces de aer:
Fex.a = (aer furnizat – aer stoichiometric)/aer stoichiometric (2)
Pentru combustibilii gazoși cantitățile în relația (2) se expimă volumic, iar pentru ceilalți combustibili (solizi, lichizi) se exprimă masic. Dar aerul în exces scade temperatura de combustie (reducând rata transferului termic spre fluidul de lucru) și crește pierderile de căldură prin gazele de ardere eșapate. Prin urmare se impune o valoare optimă pentru Fex.a: uzual (10÷50)% conform recomandărilor fabricanților de echipamente.
Analiza gazelor de ardere eșapate este o metodă de determina a Fex.a dacă se cunosc fracțiile volumetrice pentru oxigenul, azotul si monoxidul de carbon eșapate :
Fex.a = (O2 [%] – 0,5CO [%]) / (0,264 N2 [% ] – (2 [%] – 0,5 CO [%])) (3)
Asemenea analizei periodice, regulate pot diagnostica starea de bună sau rea funcționare a echipamentelor.
Eficiența globală a unui echipament de încălzire cu combustibili fosili se poate exprima:
ηei = Φθat / qcomb *PCmax (4)
unde :
Φθat = fluxul termic la ieșire (în agentul termic) [kW]
qcomb = debitul de alimentare cu combustibil [Kg/s]
PCmax = cea mai mare putere calorifică a combustibilului utilizat [kJ/ kg]
Echipamentele de încălzire cu combustibili fosili sunt:
Cuptoare/aeroterme – încălzesc curenții de aer destinați încălzirii prin convecție forțată a interiorului clădirilor;
Boilere/cazane – căldura produsă prin ardere este transferată unui fluid sub presiune (cel mai frecvent apa în formă lichidă sau vapori).
Deoarece funcționeaza la temperaturi și presiuni (cazanele) ridicate, acestea sunt echipamente periculoase (s-au elaborate o serie de standarde și normative care reglementează funcționarea lor).
Aerotermele sunt de mai multe tipuri constructive, în funcție de spațiul disponibil în clădiri (verticale, orizontale, în contracurent etc.)
Fig. 2.2 Aerotermă verticală pentru încălzirea spațiilor rezidențiale
Alegerea și dimensionarea aerotermelor se face în funcție de sursa de combustibil, sarcina termică a clădirii sau a încăperii, precum și în funcție de o serie de factori particulari sau locali: configurația tubulaturii de ventilație aferente, pierderile de căldură si de presiune în rețeaua de distribuție, sarcina de umidificare locală (dacă este cazul), sursele interioare de căldură (de ex. iluminatul) etc.
Aerotermele rezidențiale se realizeaza în tipo-dimensiuni situate în domeniul (10÷50)kW (35.000÷175.000)Btu/h, iar cele pentru spații industrial sau comerciale până la 300kW (1.000.000Btu/h). Se recomandă evitarea tendinței de supradimensionare deoarece:
eficiența la funcționare în sarcină parțială e mai scazută;
tubularura de distribuție este mai voluminoasă și mai scumpă;
controlul condițiilor de confort este mai dificil (oscilații mari de temperatură în spațiul încălzit).
Un coeficient de siguranță de 110% este suficient. În scopul alegerii corecte a unei aeroterme, un indice de performanță util este randamentul anual de utilizare a combustibilului:
η = Qanual nec /Qanual comb (5)
unde:
Qanual nec = sarcina termică anuală a clădirii [GJ/an]
Qanual comb = energia aferentă consumului anual de combustibil [GJ/an]
Uzual, în funcție de tipul echipamentului randamentul anual este cuprins între 0,645 (aeroterme cu tiraj natural, cu flacără pilot permanentă) și 0,925 (aeroterme cu tiraj forțat, igniter intermitent și condensarea gazelor de ardere cu recuperarea căldurii latente, altfel “aruncată” la coș).
Boilerele sau cazanele sunt echipamente de încălzire care transferă căldură de la camera de combustie (sau elemente încălzitoate rezitive electrice) la apă în fază lichidă,fază vapori sau ambele. Boilere produc fie apă caldă/fierbinte, fie aburi la presiuni diferite. Aburii sunt un fluid de transport al căldurii (agent termic) cu proprietăți excepționale: au căldura latentă de vaporizare și coeficientul de transfer termic foarte mari.
Fig.2. 3 Boiler rezidențial pentru încălzire și apă caldă menajeră
Din punct de vedere al presiunii boilerele sunt:
de joasă presiune: aburi la presiuni mai mici de 1 atmosferă (100kPa), apă fierbinte la presiuni mai mici de 10 atmosfere (1000kPa), temperatura limită este maxim 120 ºC;
de înaltă presiune: aburi la presiuni mai mari de 1 atmosferă (100kPa), apă fierbinte la presiuni mai mare de 10 atmosfere (1000kPa), temperatură mai mare de 120 ºC.
Alegerea și dimensionarea boilerelor pentru clădiri se face pe baza câtorva criterii cheie:
sursa de combustibil (tip, putere calorică, efectul altitudinii pentru combustibilii gazoși etc);
cantitatea de căldură necesară la ieșire, corelată cu sarcina termică a clădirii;
presiunea de funcționare și fluidul de lucru (agentul termic) și altele: spațiul necesar, sistemul de control, cerințele de siguranță și securitate etc.
Pentru boilerele de aburi, capacitatea calorică se exprimă frecvent în kg de aburi producși pe oră (aburii având capacitatea calorică de circa 555kcal/kg abur); astfel se întâlnesc boilere de la circa 25kgaburi/h (aproximativ 15kW) la circa 25.000kgabur/h (aproximativ 15.000kW). Aceste valori depășesc limita superioară a gamei de puteri menționate pentru aeroterme.
Aburii produși de boilere se folosesc în clădiri pentru încălzirea încăperilor, prepararea apei calde și răcirea prin absorție.
Boilerele de apă fierbinte se utilizează în același domeniu de puteri sau capacități calorice unitare (15kW – 15.000kW) pentru încălzirea spațiilor din clădiri și pentru prepararea apei calde. Boilerele necesită un control adecvat pentru a răspunde eficient la variația condițiilor climatice exterioare: capacitatea termică nominală este necesară doar în condiții extreme de încălzire, iar pe măsură ce temperatura exterioară crește cerințele de confort impun reducerea capacității termice, de recgulă prin scăderea temperaturii agentului termic furnizat de boiler.
Echipamentele de încălzire pentru prepararea apei calde menajere.
Apa caldă este utilizată în clădiri în diferite scopuri: băi, dușuri, bucătării etc. Apa caldă se obține fie de la echipamentele destinate încălzirii spațiului interior(ca o funcție auxiliară) fie de la echipamentele special destinate încălzirii apei.
Echipamentele pentru încălzirea apei sunt de două tipuri:
echipamentele instant: încălzesc apa la cererea consumatorului, în momentul când apa trece prin încălzitor (cu aburi, cu apă fierbinte, electric etc), recomandabile în cazul unui consum uniform;
echipamentele cu acumulare (fig.2.4): încălzesc apa dintr-un rezervor cu un schimbător de căldură (arzător, element încălzitor electric) imersat, recomandabile pentru adaptarea la un consum variabil cu vârfuri de cerere importante.
Fig.2.4 Echipament pentru încălzirea apei cu acumulare
Pentru dimensionarea echipamentelor electrice în acest caz, se cer:
consumul orar maxim (de vârf) ântr-un an [l/h];
consumul zinic [l/zi].
Necesarul de energie termică (zilnic sau orar) este:
Фθapa = qapa * capa * (θnec – θsursa) (6)
unde:
qapa = debitul masic de apă corespunzător consumului volumetric [kg/zi];
cap = căldura specifică a apei [kJ/kgK];
θnec = temperatura necesără pentru apa caldă [°C];
θsursa = temperatura sursei de alimentație cu apă rece [°C].
În literatura de specialitate se dau în tabele consumurile maxime orare/zilnice și consumul mediu zilnic pentru diferite categorii de clădiri (bloc de locuințe, hotel, office building).
2.2 Sisteme de încălzire rezidențială cu energie electrică.
Căldura obținută în rezistoare prin transformarea energiei electrice este utilizată pe scară largă în industrie și pentru uzul casnic, atât pentru obținerea materiilor prime, cât și pentru prelucrările termice și structurale sau pentru desfășurarea proceselor chimice [10].
Echipamentele de încălzire electrice prezintă o serie de caracteristici atractive, ca de exemplu:
– eficiență ridicată(aproape de 100%) atât la putere nominală cât și la sarcini parțiale;
– facilități specifice pentru reglarea ușoară și precisă a paramentrilor termici;
– „curățenie” ecologică datorită absenței, practic, a factorilor poluanți (gaze de ardere, fum, cenușă, praf, zgomot etc).
Costurile de exploatare ridicate aferente utilizării energiei electrice la încălzire atenuează în bună măsură aspectele pozitive menționate.
Totuși, producerea energiei termice din energie electrică se întâlnește pe scară largă, în proporție relativ mare (cca. 35% din consumul total de energie electrică) în procese tehnologice industriale, în aplicații casnice precum și la încălzirea clădirilor.
Principalele procese tehnologice care utilizează energia electrotermică obținută în rezistoare sunt următoarele:
– topirea, menținerea și rafinarea metalelor și aliajelor;
– încălzirea semifabricatelor metalice ce urmează a fi prelucrate la cald și tratamentele termice ale organelor de mașini;
– conducerea reacțiilor chimice destinate producerii grafitului și carbonului, încălzirea reactoarelor chimice, producerea și prelucrarea materialelor plastice;
– topirea și tratamentul termic al sticlei, arderea și uscarea materialelor ceramice;
– uscarea diferitelor materiale ca : vopsele, lacuri, medicamente,
lemn, hârtie, cauciuc, textile etc;
– uscarea și prepararea produselor alimentare;
– fabricarea semiconductoarelor;
– încălzirea apei și a altor lichide.
Aparatele electrocasnice utilizează rezistoarele pentru încălzirea locuințelor, apei și alimentelor.
Efectul termic se bazează pe încălzirea elementelor conductoare din punct de vedere electric la trecerea curentului electric de conducție prin acestea (efectul Joule); puterea cedată de câmpul electromagnetic în procesul de conducție electrică se transformă ireversibil în căldură:
(7)
unde:
pJ- reprezintă puterea electrică specifică tranformată în căldură;
[V/m] – vectorul intensitatea de câmp electric;
– vectorul densitatea curentului de conducție;
– rezistivitatea electrică a conductorului.
Cantitatea de căldură(Q) generată în timpul , în elementul rezistiv cu rezistența ohmică(R), parcurs de curentul electric de conducție având intensitatea(I) este (8) :
(8)
Energia termică degajată de elementul încălzitor rezistiv se transmite prin mecanismele cunoscute (radiație, convecție, conducție) la mediul de lucru: gaze, lichide sau solide.
Proiectarea, construcția și exploatarea rațională a instalațiilor electrotermice cu rezistoare implică cunoașterea temeinică a tuturor factorilor care influențează indicatorii lor energetici și economici, în scopul optimizării proceselor termice, atât din punct de verede al calității factorilor ambientali, cât și din cel al consumului de energie electrică.
Dacă se consideră un element încălzitor ideal, fără pierderi, executat sub forma unei table subțiri, ecuația schimbului de căldură cu incinta, prin radiație este:
[W] (9)
unde:
Pu – puterea utilă de încălzire în incintă;
P – puterea rezistorului;
Cpr – coeficientul redus de radiație al sistemului rezistor-incintă;
TrM, Tp – temperatura maximă a rezistorului, respectiv temperatura incintei (perete);
A – suprafața radiantă a rezistorului ideal.
(10)
unde:
– emisivitatea redusă a sistemului rezistor-incintă;
, – emisivitatea totală a incintei, respectiv a rezistorului.
Avem:
– temperatura de lucru a rezistorului ideal:
[K] (11)
– puterea specifiă a rezistorului ideal:
[/] (12)
În cazul elementelor încălzitoare cu rezistoare reale din sârmă, bandă sau bară, radiația termică a rezistorului este parțial ecranată de elementele constructive și de fixare, ceea ce impune înlocuirea suprafeței laterale ideale A a rezistorului, printr-o suprafață de radiație efectivă reală Ar (mai redusă, aflată la aceeași temperatură), căreia îi corespunde radiația directă asupra încintei la aceeași putere P a rezistorului.
Notând puterea specifică reală cu:
(13)
Avem :
(14)
unde:
– coeficientul de radiație efectivă a rezistorului real.
Elementele încălzitoare se dimensionează astfel încât să asigure necesarul de căldură al procesului, la o durată cât mai mare de funcționare. Considerând că fluxul termic emis de elementul încălzitor rezistiv este egal cu puterea disipată în element, avem:
(15)
unde:
P – puterea rezistoarelor [W];
U – tensiunea de alimentare [V];
R – rezistența elementului încălzitor la temperatura sa de lucru [Ω];
ρ – rezistivitatea elementului încălzitor la temperatura sa de lucru [Ωm];
l – lungimea rezistorului [m];
s – secțiunea rezistorului [mm2];
pr – puterea specifica rezistorului [W/m2];
Ar – suprafața laterală a rezistorului [m2].
În cazul rezistoarelor din sârmă rotundă, diametrul se calculează astfel :
(16)
și lungimea:
(17)
Uzual, elementele încălzitoare rezistive din sârmă se execută în formă spiralată (Fig.2.5) și conform recomandărilor constructive:
Fig.2. 5 Element încălzitor sub formă de spirală
unde:
– diametrul de spiralare: D=(4÷10)*d [mm];
– pasul de spiralare: =(2÷3)*d [mm];
– lungimea spiralată (etirată): Lsp=Nsp*[mm];
– numărul de spire: Nsp=l/π*D;
Puterea specifică (pr) este o măsură a solicitării conductorului elementului încălzitor rezistiv: o valoare mare a (pr) conduce la un consum mic de material, dar scade durata de viață a încălzitorului. Valori orientative uzuale pentru (pr) funcție de domeniul de utilizare sunt [10]:
– pentru funcționare în aer cu convecție naturală – 2÷3 W/cm2;
– pentru funcționare în aer cu convecție forțată – 4÷5 W/cm2;
– pentru funcționare imersate în apă (tip „plonjor”) – 8÷12 W/cm2;
2.3 Comanda și controlul proceselor de încălzire rezidențială.
Un ansamblu rezidențial (clădire) conține echipamente de încălzire,ventilație și condiționarea aerului racordate la sistemul energetic al clădirii în scopul asigurării unui ambient confortabil și sănătos pentru ocupanții clădirii,astfel:
-trebuie să se realizeze și să se mențină o temperatură internă agreată de ocupanți;
-trebuie să se asigure alimentarea cu aer proaspăt,aer condiționat,apă,gaz,etc și distribuția acestora în zonele de interes;
-trebuie să se asigure evacuarea din clădire a poluanților produși intern în aer,apă etc.
Pentru că toate acestea să funcționeze corect,corelat și armonios,în condițiile existenței unor interacțiuni adverse datorate diferiților factori perturbatori,este necesar un sistem de comandă și control care să asigure,în principal,stabilizarea proceselor,suprimarea perturbațiilor și pe cât posibil optimizarea funcționării.
De asemenea,se impune asigurarea în cel mai înalt grad a siguranței și securității în exploatare.Procesele în domeniul EIVAC pot fi auto-stabilizante,moderat auto-stabilizante și instabile.
Terminologie specifică sistemelor de control EIVAC.
Proces: modificarea unei mărimi fizice (de ex.:temperatură,presiune,mișcare etc)în funcție de poziția actuatorului și de factorii perturbatori externi.Mărimea de ieșire=valoarea procesului.Distingem:
-procese directe (“direct-acting”),la care acțiunea pozitivă a actuatorului provoacă o creștere a valorii procesului.
– procese inverse (“reverse-acting”),la care acțiunea pozitivă a actuatorului provoacă o scădere a valorii procesului.
Valorea prescrisă (“setpoint”): valoarea dorită pentru ieșirea procesului.Diferența între valoarea prescrisă și valoarea curentă din proces este eroarea (abaterea) procesului.
Perturbație externă: orice interacțiune cu procesul,nedetectată (nemăsurată) și neluată în considerare de controler.
Sistem în buclă deschisă (“open-loop”): fără reacție inversă (“feedback”),
deschis.(ex.:ventilator on/off,temporizator)
Sistem în buclă închisă (“closed-loop”): cu reacție inversă (“feedback”)
Fig.2.6 Diagrama bloc a buclei de control cu reacție inversă
Valoarea prescrisă (fig.2.6),pr(t) este comparată cu valoarea măsurată a procesului x(t) rezultând eroarea e(t)=pr(t)-x(t).Controlerul prelucrează semnalul de eroare și generează la ieșire,semnalul u(t) pentru actuator.În funcție de intrarea u(t),actuatorul produce la ieșire modificări fizice în proces.Valoarea procesului y(t) este măsurată/convertită de senzor în x(t).
Controlerul este o unitate de comandă care compară pr(t) cu x(t),generează e(t) pe baza căreia furnizează la ieșire,semnalul u(t) pentru actuator astfel încât procesul să revină la “set-point”.
Amplificarea (“gain”) controler-ului reprezintă amploarea modificării ieșirii u(t) pentru o eroare e(t) data.
Actuatorul este un dispozitiv (electric,hidraulic,pneumatic etc) care execută o acțiune fizică asupra procesului în scopul controlului acestuia.
Senzorul este un dispozitiv care produce un semnal x(t) proporțional cu valoarea procesului (y(t)).
Controlul în buclă “feedback”este de tip adaptiv,modificând dinamic ieșirea funcție de schimbările curente din proces.Dacă se cunoaște cauza perturbațiilor asupra procesului,un control de tip predictiv poate contracara perturbațiile înainte că efectul lor să se vadă la ieșire,prin intermediul unei bucle”feedforward”(de compensație): valoarea prescrisă (set-point) este ajustată în funcție de informația furnizată de un al 2-lea senzor.
De exemplu (fig.2.7):
Fig.2.7 Temperatura aerului exterior
Temperatura agentului de încălzire (ӨAI) trebuie redusă anticipat creșterii temperaturii aerului ambiant (ӨAer) introdus în incintă din exterior.
Sistemele de comandă și control operează cu semnale electrice,electronice pneumatice,hidraulice sau cu combinații ale acestora.
Senzori.
Buclă închisă de control a sistemelor de încălzire este posibilă numai în cazul în care sistemul de control este capabil de a măsura cu precizie mărimea de ieșire y(t) din proces.Termeni specifici funcționării senzorilor sunt:
Valoarea reală: această valoare nu poate fi cunoscută niciodată;
Valoarea măsurată: este estimarea valorii reale;
Incertitudinea: este valoarea posibilă a erorii;
Domeniul de variație: un proces variază întotdeauna între anumite limite inferioare și superioare;
Precizia: este de obicei specificată de către fabricant;
Repetabilitatea: este capacitatea unui senzor de a măsura aceeași valoare in timpul măsurătorilor succesive;
Sensibilitatea: este un ciclu de schimbare în ieșirea senzorului corespunzătoare unei schimbări elementare în variabilă măsurată ;
Calibrarea: este corespondența dintre ieșirea senzorului și unitățile de măsură specifice mărimi fizice supravegheate ;
Rezolutia: este schimbarea cea mai mică ce poate fi citită din valoarea variabilei măsurate.
Există mai multe tipuri de răspuns al senzorilor (fig.2.8).
a.) b.)
Fig.2.8 Diferite tipuri de răspuns senzorial
Un răspuns de ordin zero (fig.2.8 a.) este caracteristic senzorilor,cum ar fi traductoarele de tensiune și curent,în cazul în care există un răspuns imediat la o schimbare în procesul de măsurat,în timp ce răspunsurile de ordin superior sunt,de obicei văzute în măsurătorile altor procese.De exemplu,primul ordin de răspuns (fig.2.8 b.) este destul de comun și este cuantificat prin constantă de timp a senzorului.
Constantă de timp (τ) a senzorului se deduce de obicei din experimente,dar dacă caracteristicile fizice ale senzorului se cunosc,atunci aceasta poate fi calculată.
În cadrul aplicațiilor de încălzire rezidențială sistemele de comandă și control aferente se bazează pe informații furnizate de o serie de senzori care convertesc mărimi fizice neelectrice (temperatură,umiditate,presiune etc) într-un semnal electric compatibil.De primă importanță sunt senzorii de termperatura.
Senzori de temperatură.
Principalii senzori de temperatură întâlniți în aplicațiile practice,sunt: termocupluri,termistoare sau termorezistențe (RTD).Ieșirea acestor senzori este adesea amplificată sau modificată pentru a oferi un semnal mult mai semnificativ pentru sistemul de control.
Termocupluri.
Măsurarea temperaturii θ (°C) cu ajutorul termocuplurilor se bazează pe aplicarea legilor fenomenelor termoelectrice (legi fenomenologice, care explică mai mult partea calitativă a fenomenelor).
Termocuplul este un circuit format din joncțiunea a doi conductori omogeni (diferiți ca material) cu extremitățile situate la temperaturi diferite (T1 < T2). Tensiunea termoelectromotoare care apare în circuitul termocuplului este rezultatul acțiunii concomitente a două efecte: efectul Thomson și efectul Seebeck [12].
Efectul Thomson: dacă extremitățile unui conductor omogen se află la temperaturi diferite (T1 < T2) agitația electronilor crește cu temperatura, astfel că electronii se deplasează spre concentrația mai mică, adică spre capătul mai rece, rezultă polaritatea (-) la rece și (+) la cald. Între capetele conductorului apare tensiunea termoelectromotoare Thomson (funcție de material și ΔT):
E= (18)
unde: σa este coeficientul Thomson pentru conductorul a.
Dacă circuitul închis este din doi conductori omogeni de natură diferită (a și b), tensiunea termoelectromotoare Thomson totală care apare în acest circuit este diferența tensiunilor pe ramuri:
Eab= (19)
Aceasta depinde de materialele (σa, σb) și de valorile temperaturii absolute T1 și T2 de la joncțiunile din extremități.
Efectul Seebeck: la joncțiunea (locul de contact) celor doi conductori a și b apare o diferență de potențial datorită concentrației diferite a purtătorilor de sarcini din cele două metale (efectul Volta). Această tensiune depinde de temperatura absolută a joncțiunii :
εab (T1) εab (T2) (20)
Tensiunea termoelectromotoare pentru un termocuplu (a, b) dat este:
Eab (T1,T2) = εab (T2) – εab(T1) + (21)
și depinde numai de valorile temperaturii absolute T1 și T2
Simbolizarea internațională a termocuplurilor codifică ansablurile de metale și aliaje utilizate:
J – Fe – CuNi (fier-constantan);
K – NiCr – NiAl (cromel-alumel);
E – NiCr – CuNi (cromel-constantan);
T – Cu – CuNi (cupru-constantan);
S – Platin – Platin 10% Rhodiu;
R – Platin – Platin 13% Rhodiu.
Termorezistențe.
Senzorii rezistivi pentru măsurarea electrică a temperaturii se bazează pe dependența rezistivității conductoarelor metalice cu temperatura, de regulă o variație crescătoare a rezistivității cu creșterea temperaturii caracterizată printr-un coeficient de temperatură pozitiv (PTC – Positive Temperature Coefficient) de exemplu la senzorii din platină.
Relația de legătură temperatură – rezistență este de tip polinomial:
– Pentru domeniul -200°C ÷ 0°C : Rθ R0 (1 + Aθ + Bθ2 + C(θ – 100) θ3) (22)
– Pentru domeniul 0°C ÷ 850°C : Rθ R0 (1 + Aθ + Bθ2) (23)
Pentru platina utilizată de regulă la execuția termorezistențelor industriale, valoarile coeficienților din relațiile (22) și (23) sunt conform IEC 751 – 1983:
A 3,90802 * 10-3 °C-1 B -5,802 * 10-7 °C-2 C -4,2735 * 10-12 °C-4
Coeficientul de temperatură al termorezistenței se definește ca:
α (R100 – R0) / 100 * R0 (24)
unde:
R100 [Ω] este rezistența ohmică a senzorului la temperatura de 100°C;
R0 [Ω] este rezistența ohmică a senzorului la temperatura de 0°C.
Pentru termorezistențele din platină, coeficientul de temperatură este:
α 0,00385 Ω*Ω-1*°C-1 conform normativului IEC 751
Aceste relații stau la baza tabelelor sau graficelor (Fig.2.9) de conversie temperatură – rezistență cuprinse în standardul internațional IPTS-68 (International Practical Temperature Scale – 1968).
Valorile rezistențelor definite astfel nu includ rezistența conductorilor de legatură între senzorul rezistiv și bornele terminale.
Majoritatea termorezistențelor se construiesc cu valori nominale de 100Ω la
0°C sau, mai rar, de 10Ω la 0°C.
Fig.2.9 Caracteristica termorezistenței Pt 100 conform IEC 751.
Termistori.
Traductorii de temperatură numiți termistori sunt rezistori semiconductori termosensibili care prezintă o variație specifică a rezistenței electrice în funcție de variația temperaturii (NTC – Rθ când θ, iar PTC – Rθ când θ).
Termistorii sunt utilizați pe scară largă într-o mare varietate de aplicații industriale, rezidențiale, birotică, autovehicule etc deoarece au: sensibilitate ridicată, timp de răspuns scurt, dimensiuni reduse, fiabilitate mare etc.
Termistorii sunt realizați din materiale pe bază de germaniu, siliciu, carbon precum și oxizi sau amestecuri de oxizi de bariu, nichel, titan, cobalt etc. prin sinterizare la temperaturi ridicate.
Termistori NTC.
Caracteristici principale:
-Legea de variație a rezistenței cu temperatura:
R2 = R1 e [B(1/T2-1/T1)] [Ω] T2T1 [K] (25)
-Coeficientul de variație a rezistenței cu temperatura:
B = (ln R1- ln R2 ) / (T1-1 – T2-1) [K] (26)
-Constanta de disipare termică:
δ = I2 R / (T – Tamb) [mW/°C] (27)
unde:
T – temperatura atinsă la echilibrul termic;
R – rezistența termistorului la temperatura T.
La utilizarea termistorilor în circuitele de măsurare sau reglare a temperaturii, trebuie să se ia măsuri pentru a evita auto-încălzirea termistorului.
Constanta de timp termică τ [s]: este timpul aferent schimbării temperaturii termistorului cu 63,2 % din diferența între temperatura finală și inițială la o solicitare termică de tip „treaptă”, în condiții de „zero – power” (fără a fi parcurs de curent electric).
Tipic, reprezentarea grafică a caracteristicii R=f(T) se liniarizează prin logaritmare (Fig.2.10).
Fig.2.10 Caracteristica termistorilor tip NTC
Caracteristici tehnice (valori uzuale) ale termistorilor NTC [13]:
-Domeniul de temperatură: de la -50°C la +350°C;
-Valoarea constantei B: de la 3300K la 5800K;
-Constanta de disipare δ: de la 0,25mW/°C la 2,5mW/°C;
-Constanta de timp termică τ: de la 0,6 sec la 20 de sec;
-Rezistența nominală R25°C: de la 10kΩ la 5,5MΩ.
Termistori PTC:
Prezintă o creștere bruscă a rezistenței când temperatura în creștere atinge o valoare specificată (θN [°C] temperatura nominală).
Se utilizează ca detectoare termice în asociere cu un auxiliar de comandă (releu electronic).
Caracteristica rezistență – temperatură Rθ=f(θ) este (fig.2.11):
Fig.2. 11 Caracteristica pentru termistor tip PTC
Caracteristici tehnice (valori uzuale) ale termistorilor PTC:
-Rezistența nominală R25°C 250Ω;
-Temperatura nominală: θN 70150°C;
-Toleranța temperaturii nominale: Δ θN 5°C;
-Rezistența la θN – Δ θN: 550Ω;
-Rezistența la θN + Δ θN: 1650Ω;
-Rezistența la θN + 15: 4KΩ;
-Constanta de timp termică: τ 6 sec.
Cap. 3 SOLUȚII MODERNE PENTRU ÎNCĂLZIRE
REZIDENȚIALĂ.
3.1 Încălzirea cu elemente rezistive încorporate.
Aspecte generale ale încălzirii prin pardoseală
Încălzirea prin pardoseală reprezintă o solutie eficientă de încălzire a unei încăperi, fiind cunoscută încă de pe vremea romanilor[14]. Initial, beneficiarii acestei metode de încălzire erau doar cei mai bogati dintre romani dar, în scurt timp, încălzirea prin pardoseală a devenit folosită la o scară mai largă, în numeroase vile (spatii rezidentiale) și în majoritatea institutiilor publice. Metoda de încălzire utilizată de romani (fig.3.1) se baza pe circulatia aerului cald (provenit de la un cuptor situat în exteriorul incintei) printr-un sistem de conducte (sprjinite pe piloni din cărămidă) amplasate sub podea; de aici, aerul cald (împreună cu fumul rezultat în urma arderii din cuptor) se ridică spre coșul de evacuare prin două sau mai multe canale din peretii construiti, la fel ca pilonii de sustinere ai conductelor, din cărămidă; astfel, prin încălzirea atât a podelei cât și a peretilor confortul termic al încăperii era unul ridicat.
Fig.3.1 Sistem de încălzire prin pardoseală la romani[14]
În configuratia actuală, instalatiile de încălzire prin pardoseală apar la începutul secolului trecut. Profesorul englez Baker[15]este primul care obtine un brevet cu titlul “Sisteme de încălzire a localurilor cu apă caldă transportată prin tevi sub pardoseală”. Dezvoltarea efectivă a sistemului are loc imediat după Al Doilea Război Mondial, odată cu campania de reconstructie din Europa. Tehnica din acea vreme consta în înglobarea de tevi din otel de 1/2" sau 3/4" fără straturi de izolatie termică sub ele. Cu o astfel de tehnologie s-au executat în Europa, numai în perioada 1945-1950, instalatiile de încălzire din peste 100.000 de locuinte[15]. Această perioadă de pionierat a pus în evidentă nu numai avantajele sistemului, dar și o seamă de neajunsuri determinate de lipsa unei cercetări aprofundate a efectelor asupra omului.
Instalatiile realizate în perioada mentionată mai sus au provocat oamenilor numeroase tulburări fiziologice precum : probleme de circulatie a sângelui, dureri de cap, transpiratie excesivă. Cercetările efectuate ulterior au pus în evidentă două tipuri de probleme care nu erau stăpânite corect :
valoarea temperaturii superficiale a pardoselii ;
inertia termică a sistemului.
S-a demonstrat că[16], pentru a nu se crea senzatii de disconfort, temperatura pardoselii nu trebuie să depășească 28-29 grade C. Ori, în cazul instalatiilor în cauză, se constatau în mod frecvent valori de 40 grade C sau mai mult. Pe de altă parte, integrarea tevilor de otel întru-un masiv de beton, care acumula o cantitate importantă de căldură și avea o inertie termică mare, conducea la accentuarea și prelungirea în timp a supratemperaturii pardoselii. Solutia s-a dovedit a fi intercalarea între serpentinele de teavă și planșeul de beton a unui strat puternic izolator termic. Prin urmare, principalele măsuri de evitare a disconfortului au fost :
mentinerea temperaturii superficiale a pardoselii la cel mult 28-29 grade C (în anumite zone de trecere, zone marginale, băi – se admit chiar și 31-35 grade C) ;
separarea pardoselii încălzitoare de planșeul masiv din beton printr-un strat izolator termic.
În prezent utilizarea încălzirii prin pardoseală a devenit foarte populară iar domeniile de aplicare ale acesteia s-au extins cu rapiditate. Astfel, această metodă de încălzire este utilizată în :
instalatii interioare de încălzire : locuinte, constructii publice (școli, spitale, birouri, biserici, institutii culturale, etc.), constructii comerciale (magazine, supermarket-uri, restaurante), hoteluri, constructii industriale de productie si depozitare ;
instalatii exterioare pentru topirea ghetii și a zăpezii : parcări pentru autovehicule, platforme și scări exterioare la clădiri publice, piste aeroportuare, terenuri sportive, etc.
Am prezentat anterior(cap.2)unele dintre cele mai utilizate sisteme de încălzire: centrală conventionale, sisteme de încălzire cu aer cald și – ceea ce constituie obiectul de studiu al acestei lucrări – sisteme radiante de încălzire. Acestea din urmă pot fi împărtite, în functie de mediul care radiază căldura sau de tipul instalării, în două mari categorii :
încălzire cu agent termic lichid
încălzire electrică
Încălzirea cu agent termic lichid este metoda cea mai răspândită si poate cea mai eficientă ca și costuri. Presupune încălzirea initială a apei într-o centrală pe gaz sau într-un boiler electric pentru ca mai apoi sa fie pompată printr-o retea spiralată de tevi (conducte)
montate sub pardoseală. Sistemul poate fi proiectat de așa natură încât fiecare încăpere să constituie o zonă cu temperatură controlabilă distinct.
Încălzirea electrică constă în montarea unor conductori cu rol de rezistente electrice sub pardoseală. Există și varianta unor covorașe din plastic care să înglobeze aceste rezistente. Este o metodă foarte comodă și silentioasă, dar din cauza pretului mare la energia electrică este totuși indicat să se studieze cu atentie alternativele existente. Se pretează însă la extensii aduse unei locuinte, când e dificil de modificat sistemul de încălzire existent. Încălzirea electrică se poate dovedi foarte fiabilă în cazul în care se beneficiază din partea furnizorului de energie electrică de tarife diferentiate zi/noapte, caz în care pardoseala trebuie să poată acumula suficientă energie termică în timpul noptii (la tarife reduse ale energiei electrice), pe care să o cedeze treptat în timpul zilei. Sistemul poate fi combinat cu un sistem de încălzire solară, care să functioneze pe durata zilei.
Confortul termic al încălzirii prin pardoseală. Avantaje
De obicei, notiunea de confort termic(cap.1.1) este asociată cu temperatura interioară a încăperii în care se găsesc oamenii. De fapt, senzatia de confort termic trebuie înteleasă ca un echilibru termic al corpului uman sub influenta factorilor de natură fizică ai mediului înconjurător.
În acest context, vorbind despre temperatură, trebuie observat că un factor important de confort îl reprezintă și distributia ei cât mai uniformă în încăpere. Cum,din punct de vedere fiziologic,zona inferioară a piciorului este una deosebit de sensibilă la temperatură, este de dorit ca aici temperatura să fie mai ridicată decât în zona capului.
Este cunoscut de toată lumea că o pardoseală rece creează o senzatie neplăcută, chiar dacă temperatura măsurată mai sus (zona toraco-abdominală și a capului) este corespunzătoare.
La sistemele de încălzire conventionale[16](sobe, șeminee, radiatoare, convectoare) dezideratul de mai sus este greu, dacă nu imposibil, de atins. În graficele de mai jos (fig.3.2) sunt trasate curbe de variatie pe verticală a temperaturii în cazul ideal și al încălzirii prin pardoseală sau cu radiatoare.
Fig.3.2 Curbe de variație ale temperaturii la diverse sisteme de încălzire
Se poate constata că încălzirea prin pardoseală este cea care asigură distributia temperaturilor foarte apropiată de situatia ideală (fig.3.3), deci este cea care conferă cel mai înalt grad de confort termic, adică “picioare calde și cap limpede”.
Fig.3.3 Distribuția căldurii la principalele sisteme de încălzire
Aceleași considerente ce tin de sensibilitatea picioarelor impun și limitele superioare ale temperaturii pardoselii (nici prea caldă nu este confortabilă). Astfel, temperatura superficială a pardoselii nu trebuie să depășească (după standarde germane impuse de REHAU )[16] următoarele valori :
încăperi de lucru în care se stă mult în picioare:27° C
birouri și camera de locuit:28° C
coridoare, spatii de trecere:30° C
băi și hale pentru bazine de înot:33° C
zone marginale putin circulate:35° C
Încălzirea prin pardoseală este o solutie, pe cât de nouă, pe atât de elegantă și eficientă pentru încălzirea unui spatiu ambiental interior. Acest sistem de încălzire are principalul avantaj de a emite căldură prin toate formele posibile : prin radiatie, prin convectie si prin conductie – spre deosebire de sistemele traditionale de încălzire, de exemplu cele cu radiatoare (calorifere), care puteau emite căldură doar prin primele două forme mentionate mai sus.
Sistemul de încălzire prin pardoseală este foarte eficient iar instalarea și întretinerea lui ulterioară se realizează cu ușurintă. Avantajele pe care acest sistem le prezintă în comparatie cu sistemele traditionale de încălzire sunt multiple și contribuie la o stare generală ridicată de confort oferită utilizatorului :
pentru corpul uman, confortul termic ideal, dat de o distributie termică optimă pe verticală (fig.3.3), se poate satisface într-o măsură avansată doar cu sisteme de încălzire radiantă prin pardoseală. Instalatiile de încălzire prin pardoseală creează un confort mult mai mare decât celelalte sisteme de încălzire considerate traditionale, datorită creșterii temperaturii aerului în zona pardoselii cât si datorită uniformitătii temperaturii pe verticală. La sistemele de încălzire cu radiatoare aerul cald se ridică spre tavan unde se racește iar apoi coboară formând curenti circulari de aer care oferă ulterior o încălzire neuniformă a spatiului, rezultând astfel pierderi mari de caldură in zona superioară a încaperii (fig.3.4). La sistemele de încălzire electrică prin pardoseală căldura se distribuie uniform, de jos in sus iar termostatele inteligente echilibrează temperatura ambientală precum si pe cea a pardoselii, permitând astfel reducerea temperaturii medii cu 1-2 grade Celsius, fără a influenta însă nivelul de confort termic.
Fig.3.4 Explicativă la distribuția căldurii si a pierderilor
căldura este repartizată uniform în încăpere și poate fi menținută la un nivel constant, prin echiparea acestor sisteme cu un termostat pentru temperatură. Datorită diferențelor reduse de temperatură între elementul încălzitor (pardoseală) și aerul din încăpere se reduce, implicit, viteza curenților de aer ascendenți, ceea ce vă împiedica circulația prafului în încăpere.
prin încălzirea în pardoseală se poate realiza o suprafață radiantă foarte mare, acest lucru fiind apreciat atât de decoratori dar și de beneficiar. Cablurile montate sub pardoseală sunt ascunse privirii și astfel spațiul se poate utila în totalitate prin elemente de decorațiuni sau mobilier alese de utilizator.
deoarece instalația funcționează pe principiul degajării de căldură în momentul în care un conductor este parcurs de curent electric, se poate deduce că acest sistem de încălzire este unul foarte silențios, având o funcționare ‘discretă’.
această soluție de încălzire este una estetică și ergonomică – întreaga instalație este ‘ascunsă’, nu este expusă la vedere (cablurile și rezistențele sistemului sunt încastrate în podea – dispar astfel radiatoarele inestetice și grele fixate pe pereți, iar controlul instalației se face de la un mic termostat digital).
ca durată de viață, sistemul prezentat este probabil cel mai eficient : durata de viață estimată a cablurilor este de aproximativ 100 de ani, egală cu durata de viață estimată a clădirii. În plus, instalația nu conține componente în mișcare (pompe hidraulice, motoare electrice, agent termic – apă) deci, șansele ca aceasta să se defecteze și să se deterioreze în timp sunt reduse.
Pentru o funcționare confortabilă dar în același timp eficientă a sistemului de încălzire trebuie cunoscute, pe lângă toate avantajele prezentate mai sus, o serie de limitări ale sistemului care pot conduce la o funcționare ne-economică a acestuia :
Temperatura suprafeței încălzitoare este redusă, fapt benefic din punct de vedere fiziologic, dar dezavantajos sub raportul cantității de căldură cedată în cameră. Prin urmare :
→ casele care se echipează cu astfel de sisteme trebuie să aibă pierderi mici de căldură, deci să fie bine izolate termic.
→ dacă numai într-un număr mic de încăperi ale casei căldura asigurată de pardoseală nu acoperă necesarul, se poate adopta un sistem mixt, completând cu altă sursă (radiatoare, ventiloconvectoare etc.).
→ dacă în cea mai mare parte a casei pardoseala nu poate acoperi necesarul de căldură, atunci este recomandat să se adopte un sistem de încălzire clasic.
Inerția termică a sistemului este relativ mare, ceea ce conduce la următoarele situații :
În clădiri cu ocupare permanentă (deci cu funcționarea sistemului de încălzire relativ continuă) și cu o bună izolare termică sub serpentină, inertia termică nu pune probleme, dar trebuie avute în vedere :
→ buna corelare a functionării sistemului de încălzire cu temperatura exterioară (automatizare)
→ întreruperile de functionare, trecerile pe regim redus sau repunerile în functiune să fie anticipate cu cca. 2 ore înainte.
Probleme de proiectare, care implică :
→ cunoașterea în detaliu a caracteristicilor arhitectonice și constructive ale casei. → calcule complexe și laborioase
→ relativă rigditate a sistemului care, odată executat, nu mai poate fi corectat prin adăugiri sau diminuări. În plus, finisajul pardoselii trebuie sa rămână cel pentru care s-a elaborat proiectul (dacă o pardoseală din gresie va fi ulterior acoperită cu o mochetă groasă, emisia de căldură către încăpere se va injumătăti).
Solutii tehnice pentru executia elementelor radiante
Dacă ne hotărâm să montăm acest sistem de cabluri încălzitoare în pardoseală trebuie să avem în vedere izolarea termică si hidrofugă a acesteia. Izolatia termică poate fi realizată cu plăci de polistiren expandat, care are rolul de a reduce cât mai mult pierderile de căldură prin sol (fig.3.5). Înainte de montarea și fixarea în holtzșuruburi a plăcilor din polistiren, toată pardoseala se acoperă cu o folie groasă din polietilenă, care va împiedica difuzia vaporilor de apă.
Fig.3.5 Transmisia termică cu/fără strat izolant
Deasupra plăcilor din polistiren expandat sau direct pe șapa de beton sau ciment se aplică o plasă din fibră de sticlă pe care vor fi prinse cablurile electrice încălzitoare ( există mai multe posibilităti de dispunere a cablurilor încălzitoare – fig.3.6 ). Pentru dispunerea lor suprafata de placat se poate împărti pe zone diferite, aceeași suprafată asigurând niveluri diferite de temperatură, în cazul în care acestea sunt necesare. Tehnica de dispunere a cablurilor încălzitoare are la bază acoperirea eficientă a întregii suprafete a pardoselii, fără ca un cablu electric să vină în contact direct sau să se suprapună cu un altul. După fixarea cablurilor, suprafata se acoperă cu o șapă specială ; această șapă trebuie să aibă o grosime de cca. 3-4 cm și să preia toate denivelările formate de cablurile electrice.
Fig.3.6 Moduri de realizare a serpentinelor încălzitoare
După uscarea șapelor de beton/ciment urmează fixarea pardoselii propriu-zise. Teoretic, orice tip de pardoseală poate fi folosită în combinatie cu un sistem radiant de încălzire. Trebuie însă tinut cont că fiecărei pardoseli îi corespunde un coeficient de rezistentă termică diferit, ceea ce influentează randamentul instalatiei.
plăcile ceramice (gresiile) sunt cele mai folosite și cele mai eficiente întrucât conduc foarte bine căldura și în plus au o mare capacitate de înmagazinare a acesteia. Dacă nu sunt respectate normele tehnice de montare există însă riscul ca acestea să crape datorită încovoierii lor, a umezelii sau ca urmare a crăpăturilor de la nivelul suprafetei suport.
lemnul este un material care prezintă contractii și dilatări mari în functie de temperatură și umezeală, de aceea trebuie acordată atentia cuvenită când se alege o astfel de pardoseală, cu atât mai mult când este combinată cu un sistem radiant de încălzire.
mocheta este cel mai putin recomandată a fi folosită, datorită rezistentei opuse la transferul căldurii. Dacă totuși se optează pentru această solutie este nevoie ca temperatura la nivelul cablului electric încălzitor sa fie ridicată cu 1-2° C.
În functie de nevoile specifice ale fiecărei zone (baie, bucătărie, balcon, dormitor, holuri) putem utiliza cabluri cu putere mai mică sau mai mare de încălzire. Din punct de vedere constructiv, cablurile încălzitoare pot fi cu un conductor sau cu doi conductori. Această diferentă constructivă nu influentează calitatea sistemului de încălzire și nici efectul termic obtinut. Pentru ambele tipuri de cablaj, există două variante constructive : cu manta metalică de protectie și fără manta metalică de protectie. Cablurile cu manta metalică, cu unul sau doi conductori, pot fi utilizate în zonele interioare si exterioare ude sau care au un grad ridicat de umezeală (băi, bucătării, spălătorii, alei exterioare, terase neacoperite, intrări în garaje etc.). Puterile cablurilor variază, în general, între 7 și 40 W/m. În functie de dimensiunea suprafetei ce urmează a fi încălzită și de nivelul de izolatie termică a încăperii respective, se dimensioneză și rezultă mai apoi tipul de cablu ce urmează a fi utilizat. Diametrele exterioare ale cablurilor de încălzire pot varia între 2 mm și 10 mm. Diferenta între cele două tipuri de cabluri, cu unul respectiv cu doi conductori, constă în modul de realizare a legăturilor de alimentare. Pentru cablul cu un conductor, legaturile de alimentare se fac prin cele două capete ale cablului, iar pentru cablul cu doi conductori, legăturile de alimentare se fac printr-un singur capăt al cablului. Cablurile se alimentează de la tensiunea de 230 V (c.a) dar exista posibilitatea,in cazul unor hale industriale in care se folosesc prizele trifazate,de alimentare si la tensiunea de 380 V
3.2 Evaluarea sarcinii termice rezidențiale.
Elemente de calcul.
Coeficientul global de transmisie a căldurii“k”pentru diverse elemente de construcție alcătuite din mai multe straturi de materiale diferite se determină cu formulă:
k = [w/m2] [3.1]
sau:
k = , [3.2]
in care:
ai – este coeficientul de transfer termic prin convecție,pentru suprafețele interioare ale elementelor de construcție, în w/m2 ; ai=8 [w/m2], în cazul transmisiei căldurii prin pereți și planșee,când fluxul termic este orientat orizontal sau de jos în sus;
– este coeficientul de conductivitate termică al materialului din care este alcătuit stratul,având grosimea [w/m2 ; valorile pentru diferite materiale de constructie se iau conform STAS 6472-75 (pentru pamant, );
R – este rezistentă la permeabilitate termică a materialului în [w/m2;
ae – este coeficientul de transfer termic prin convecție,pentru suprafețe exterioare,în [w/m2; ae=23 [w/m2;
Indicele de inerție termică Di al unui element de construcție se calculează cu relația:
Di= N , [3.3]
în care:
– este grosimea unui strat component al elementului de construcție,în m;
– este conductivitatea termică a materialului, în [w/m ;
c – este căldura specifică a materialului, în [J/kg ] ;
p – este densitatea materialului,in [kg/m3 ] ;
N – este un coeficient având valoarea 8,55*10-3, pentru cazul când se lucrează cu unități SI,sau 0,51 pentru cazul când se lucrează cu unități MKfS.
Indicele mediu de inerție termică I al unei încăperi având elemente de construcție exterioare (necesar determinării coeficientului de masivitate termică m),se calculează cu formulă:
I= , [3.4]
în care:
Si – este suma suprafețelor elementelor de construcție exterioare,în [m2] ;
Di – este indicele de inerție termică al elementului de construcție considerat ;
In vederea evaluarii prin calcul a sarcinii termice a unui apartament (fig.3.7) in conditii precizate de amplasare (etaj sau parter,bloc sau casa particulara,orientare geografica etc),avand de exemplu urmatoarele caracteristici:
-situare în Timișoara,cu orientarea ferestrelor spre Nord,liber expusă la vânt;
-cladirea are subsol și o fundație cu grosimea de 0,5 m/adâncimea pânzei de apă
freatică de 6m;
-pereti exteriori din cărămidă plină,tencuiți;
-plansee din beton armat,cu grosimea de 0,2 m;
-pardoseala din parchet cu grosimea de 0,02 m;
-ferestre duble,din lemn,fără etanșare specială;
-inaltimea unui nivel:2,7;
Fig.3.7 Cotele încăperilor(explicativa de calcul)
Se consideră:
-temperatura interioară corespunzătoare cerințelor de confort termic:
θi=+22°C;
-temperatura exterioara de calcul(pentru zona Timisoarei):θe=-12°C;
Necesarul global de căldură al unei încăperi se determină astfel:
Q = QT ( 1+) + Qi [w] [3.5]
QT[w] – este pierderea de căldură prin transmisie în regim termic staționar,corespunzător diferenței de temperatură dintre interiorul și exteriorul elementelor de construcție care limitează încăperea;
– este suma adaosurilor (pentru orientare,compensare a efectului suprafețelor reci și adaosul special) afectate pierderii de căldură prin transmisie ;
=Ao + Ac + As [3.6]
unde :
Ao[%] – adaosul pentru orientare,care ține cont de pierderile de căldură
ale încăperilor cu pereți exteriori (5% funcție de orientarea cea mai defavorabilă);
Ac[%] – adaosul pentru compensarea efectului suprafețelor reci în calculul pierderilor de căldură ale încăperilor cu pereți exteriori (+1,5% +20%);
As[%] – adaosul special se acordă la clădirile civile unde instalația de încălzire centrală funcționează cu intermitență (+10% +15% funcție de durată întreruperii);pentru încăperi cu cerințe deosebite de confort;
Pierderea de căldură prin transmisie QT se calculeaza cu formula:
QT = T*S*k*(θi – θe) + C*kc*(θi – θe) + Sp*ks*(θi – θs) [w] [3.7]
unde:
mT – este coeficientul de masivitate termică a elementului de construcție;
mT=1 – pentru elemente de construcție interioare;
mT=(<1>7) – pentru elemente de construcție exterioare funcție de coeficientul mediu de inerție termică a încăperii(I),din nomograme,funcție de caracteristici;
S[m2] – este suprafața fiecărui element de construcție; suprafețele elementelor de construcție se calculează corespunzător următoarelor dimensiuni-pentru pereți,lungimea(lățimea) încăperii măsurată la interior și înălțimea etajului(distanța dintre nivelurile pardoselilor finite); din suprafața astfel calculată se scade suprafața golurilor ușilor și ferestrelor;-pentru pardoseli și planșee,lungimea și lățimea încăperii măsurată la interior;- pentru uși și ferestre,dimensiunile golurilor din zidărie;
K[w/m2 ] – coeficientul de transmisie a căldurii pentru elementul de construcție;
θi[] – este temperatura interioară de calcul (temperatura convențională a aerului interior);temperatura interioară de calcul pentru încăperi de locuit,casa scarii etc. este conform normativelor in vigoare;
C – conturul laturilor exterioare ale planului încăperii,care se măsoară la fața interioară a pereților,la nivelul solului,atât în cazul când pardoseala se află pe sol cât și în cazul când pardoseala se află sub nivelul solului;
kc – este coeficientul de transmisie a căldurii pe contur;
Sp[m2] – suprafața de pardoseală a încăperii,așezată direct pe sol;
ks [w/m2 ]– coeficientul de transmisie a căldurii către sol;
θe []–temperatura spațiilor vecine încăperii considerate (temperatura convențională a aerului interior din camerele alăturate sau temperatura convențională a aerului exterior);
θs – temperatura solului,considerată convențional +10 indiferent de temperatura aerului exterior
Qi [W]– este necesarul de căldură pentru încălzirea aerului infiltrat prin rosturile ferestrelor și ușilor exterioare de la temperatura exterioară la temperatura interioară:
Qi=4/3(θi – θe) + U*Su*n(θi – θe) [w] [3.8]
unde:
[m] – lungimea rosturilor ușilor sau ferestrelor,lungime egală cu perimetrul elementelor mobile ale acestora.Rostul format de două elemente mobile se ia în calcul o singură dată.Se poate determina în funcție de lungimea specifică a rostului/m2;
[()4/3 ] – coeficientul de infiltratie prin rosturi,functie de felul usilor si ferestrelor precum si al modului de comportare a cladirilor la actiunea vantului;
[] – viteza de calcul a vantului;
U = 0,36 – coeficient ce caracterizeaza cantitatea de caldura pierduta la deschiderea unei usi;
Su [m2] – suprafata usilor exterioare;
n [] – numarul de deschideri ale usilor/ora (functie de specificul cladirii);
θe – suprafata totala a elementelor mobile ale usilor si ferestrelor exterioare;
θi – suprafata usilor interioare;
Calculele,conform relatiilor (3.5),(3.6),(3.7),(3.8) se sistematizeaza in Tab.3.1, pentru fiecare element de constructie al fiecarei incaperi.Notatii:
FE=fereastra exterioara;
PE=perete exterior;
PI=perete interior;
PD=pardoseala;
C=lungimea conturului laturilor exterioare ale incaperii;
Tab.3.1
Proiectarea instalatiei electrice de alimentare,protectie,comanda si reglare(fig.3.8).
1.Elaborarea schemei electrice desfasurate:
Q0 – intreruptor general (disjunctor termo-magnetic);
F1F4 – dispozitiv de protectie la scurtcircuit (disjunctor electro-magnetic);
B1B4 – termostat de ambient;
K1K2 – contactoare;
E1E4 – elemente incalzitoare rezistive;
X0 – regleta de conexiuni;
2.Dimensionarea circuitelor si alegerea aparatajului electric necesar.
Corespunzator puterii nominale a elementelor incalzitoare prevazute in fiecare incapere (E1E4) si tensiunii nominale de alimentare (monofazata) :UN=230 V,se calculeaza pentru fiecare circuit (coloana):
-curentul nominal: I1(2)(3)(4)= [A] [3.9]
unde:
S1(2)(3)(4)= = P1(2)(3)(4) [VA] [3.10]
Pentru elemente incalzitor rezistive: =1; si pentru coloana de alimentare generala:
IN = I1 + I2 + I3 + I4 [A] [3.11]
SN = S1 + S2 + S3 + S4 [VA] [3.12]
In functie de curentii nominali si tensiunea nominala (I1,UN), (I2,UN), (I3,UN), (I4,UN), (IN,UN),se alege din cataloage aparatajul cu caracteristici corespunzatoare
(Q0, F1F4, B1B4, K1K2, X0);
Dimensionarea cablurilor de alimentare si distributie (W0, W1 W4) se face:
-alegerea sectiunii conductoare [mm2] functie de IN, I1..4 [A] si conditiile de pozare,din tabele;
-estimarea lungimii desfasurate [m],pentru fiecare cablu,functie de PLAN TRASEE CABLURI;
-verificarea la caderea de tensiune:
U1(2)(3)(4)(0) = * 100[%] 5%; [3.13]
cu = 56 [];
Fig.3.8
Cap.4 PROIECTAREA UNUI SISTEM DE ÎNCĂLZIRE
REZIDENȚIALĂ CU ELEMENTE REZISTIVE
ÎNCORPORATE.
4.1 Caracterizarea obiectivului propus.
Obiectul acestei lucrări îl constituie proiectarea unei instalații electrice de încălzire prin pardoseală a unui spațiu locativ. Concret, în cazul de fată este vorba de proiectarea sistemului de încălzire al unui apartament(fig 4.1):
apartamentul este situat la parterul unui bloc de locuinta cu parter si 4 etaje avand situare in Timisoara, cu orientarea ferestrelor spre nord ;
cladirea are subsol si o fundatie cu grosimea de 0,5m ( adancimea panzei de apa freatica este de 6m ) ;
pereti exteriori sunt din caramida plina si tencuiti ;
planseele sunt din beton armat cu grosimea de 0,2m ;
pardoseala este din parchet si are grosimea de 0,02m ;
ferestrele sunt duble, din lemn, fara etansare speciala ( lungimea rosturilor sunt cotate pe fig.), viteza vantului este 6m/s ;
inaltimea unui nivel de apartament este de 2,7m ;
În lucrare vor fi abordate următoarele aspecte necesare realizării unei instalații electrice de încălzire prin pardoseală :
calculul necesarului de căldură pentru fiecare încăpere în care urmează a se monta cablu încălzitor.
dimensionarea și alegerea elementelor radiante (cablu încălzitor cu dublu circuit).
prezentarea soluțiilor de alimentare a instalației electrice de încălzire de la rețeaua de 230 V c.a.
alegerea aparatajului electric (tablou general de distribuție + elemente de protecție – disjunctoare), trasarea nulului de protecție și a instalației de împământare în toată clădirea, alegerea și montarea termostatelor.
4.2 Dimensionarea sistemului de incalzire propus.
Pentru studiul de caz prezentat concret la cap.4.1,evaluarea prin calcul a sarcinii termice necesare se realizeaza utilizand algoritmul de calcul prezentat la cap.3.2.In urma calculelor efectuate pentru situatia propusa la cap.4.1 si particularizand coeficientii din relatiile de calcul,rezultatele numerice calculate sunt prezentate sintetic in (tab.4.1).
Descrierea generala a sistemului de incalzire electrica in pardoseala.
Componentele care stau la baza sistemului de incalzire in pardoseala sunt:
Cablu incalzitor (fig.4.2), retea de fixare, termostat digital programabil cu senzori de temperatura in pardoseala si ambient (fig.4.3), cablu de alimentare si un tablou general de distributie prezentat in Anexa 1.
fig. 4.2 –cablu incalzitor fig.4.3 – termostat digital
Functionarea se bazeaza pe principiul clasic al degajarii controlate de caldura la trecerea curentului electric prin rezistenta cablului. Acesta este protejat printr-o manta metalica conectata la impamantare, si un invelis foarte rezistent din PVC sau silicon, si este atestat de forurile competente europene. In cazul unei intreruperi cauzate accidental (o gaura ‘cu ghinion’ in pardoseala), exista un kit de reparatie, inlocuindu-se doar cativa centimetri din cablu in zona afectata. Sistemul se alimenteaza cu 230V din tabloul electric, si este controlat de un termostat electronic. Termostatul realizeaza un echilibru optim intre temperatura pardoselii si cea ambienta, reducand consumul de energie prin optimizarea timpilor de functionare a incalzirii si programarea diferentiata zi/noapte pentru fiecare zi a saptamanii.
Sistemul de incalzire poate fi total (asigura intregul confort termic) sau suplimentar (cand suplineste prin confortul pardoselii calde un sistem de incalzire existent).
Alegerea cablurilor încălzitoare
Pentru realizarea instalatiei electrice de încălzire prin pardoseală se utilizează, în mod frecvent, cele 3 tipuri de cablaje disponibile pe piată [17]:
cablu electric cu dublu conductor (fig. 4.4.a)
covoraș electric încălzitor (fig. 4.4.b)
cablu electric cu unic conductor (fig. 4.4.c)
a.) b.) c.)
Fig. 4.4 a,b,c Tipuri constructive de cabluri încălzitoare
În faza finală a realizării instalatiei electrice nu există practic nicio diferentă între varianta cu cablu încălzitor (simplu sau dublu conductor) și cea cu covoraș încălzitor[Anexa 2].. Folosirea covorașului încălzitor presupune însă o mare economie de timp la instalare deoarece acesta vine, din constructie, cu spirele realizate și dispuse pe o folie protectoare. Totuși utilizarea acestei solutii este mult mai putin economică din punct de vedere financiar deoarece costul unui covoraș electric (alcătuit din cablu încălzitor spiralat, adeziv de fixare și manta de protectie) care să acopere unitatea de suprafată – 1 m2 – poate ajunge până la de două ori costul elementelor achizitionate separat și montate individual. Un alt dezavantaj al covorașelor încălzitoare e constituit de limitările geometrice ale încăperilor ; astfel, cablurile electrice încălzitoare pot fi montate, indiferent de forma geometrică a încăperii, în cele mai înguste și inaccesibile (pentru covorașele electrice) zone ale camerelor.
Cablurile cu un singur conductor au prevăzute la ambele capete mufe pentru conectarea la retea (direct, la o doză de tensiune sau indirect, prin termostat). Cablul trebuie dispus de așa natură încât capătul de început și capătul de sfârșit să se afle, la finalul montajului, în același loc. Această cerintă poate constitui un inconvenient în cazul încăperilor de dimensiuni mari.
Cablurile cu două conductoare au capătul de început mufat în vederea conectării la retea în timp ce, la capătul de sfârșit (care poate fi amplasat oriunde în încăpere) cele două conductoare sunt conectate între ele și izolate.
Cablul electric încălzitor pentru interior (simplu sau cu dublu conductor) se gasește pe piată, în general, în 3 variante de puteri : 10 W/m, 16-17 W/m și 20-25 W/m. Din punct de vedere constructiv singurele diferente care pot să apară între cele 3 tipuri de cabluri sunt legate de calitatea și dimensiunea materialelor folosite de diverși producători în procesul de fabricatie. În plus, folosirea unui cablu electric încălzitor de 10 W/m presupune un consum sporit de cablu, spre deosebire de situatia în care se utilizează, de exemplu, cablu de 20 W/m .
Alegerea termostatului
Termostatul este un aparat sau o instalatie care servește pentru reglarea și mentinerea unei temperaturi constante într-o incintă sau într-un circuit.
Dacă instalatia electrică de încălzire a pardoselii ar fi alimentată direct la retea printr-un simplu întrerupător (ON/OFF) functionarea acesteia ar fi haotică și total neeconomică. În plus, comanda ei ar trebui făcută manual de către utilizator fără a se mai tine cont de temperatura ambientală sau de temperatura pardoselii, creându-se astfel un dezechilibru termic care ar conduce la nerealizarea unei stări necesare de confort termic.
Termostatul (fig. 4.5) este solutia optimă de control, reglare și comandă a instalatiei de încălzire la care se face referire. De exemplu,câteva din caracteristicile tehnice ale unui termostat de tipul raychem TA ( fișa de catalog este prezentată integral în Anexa 3) sunt :
interfată ușor de utilizat
dimensiuni reduse
senzor de ambient
senzor de pardoseală
alimentare la 230 V , 50 Hz c.a atât a termostatului cât și a instalatiei electrice de încălzire
sarcină totală suportată 16 A
decuplare automată a instalatiei electrice de încălzire în cazul defectării unui senzor
fig. 4.5 Termostatul Raychem TA. Aspect. Dimensiuni
La amplasarea termostatului pe perete (fig 4.6) trebuie avute în vedere anumite considerente :
fig. 4.6 Amplasarea ideală a unui termostat
termostatul trebuie amplasat la aproximativ 1.5 metri deasupra pardoselii, într-o zonă cu o bună circulatie a curentilor de aer de temperatură medie.
termostatul nu trebuie amplasat pe sau în imediata apropiere a ușilor sau ferestrelor.
termostatul nu trebuie să fie expus luminii solare.
termostatul nu trebuie amplasat deasupra sau în apropierea cunductelor de apă caldă/rece sau a unor echipamente de încălzire, ventilatie și aer conditionat.
Înainte de realizarea conexiunilor electrice la termostat este necesar ca alimentarea cu energie electrică la prize să fie întreruptă. Legăturile electrice se fac, conform figurii 4.7, după cum urmează :
prin pinii 5 și 6 se realizează alimentarea termostatului și a instalatiei de la reteaua de 230 V c.a.
Cat consuma instalatia de incalzire electrica in pardoseala ?
Raspunsul este banal de simplu: Consumul = Pierderea de caldura a casei pentru mentinerea unui temperaturi dorite. Cu cat incaperea/casa are o izolatie termica mai buna, cu atat energia consumata este mai redusa. Pentru o casa bine izolata se poate considera un consum mediu de ~100KWh/an/m2.[18] Randamentul instalatiei este practic de 100%, iar in cazul izolarii termice inferioare cu poliestiren si a unei sape de acumulare, se poate ajunge la un regim de functionare de 25~35% din timp. Considerand pretul continuu in crestere a gazului metan si combustibililor fosili si posibila lor epuizare in viitoarele decade, solutia de incalzire electrica devine din ce in ce mai interesanta, mai ales considerand cheltuielile mult reduse de instalare si exploatare, si avantajele deja enumerate.
Mers de calcul.
Pentru proiectarea unui astfel de sistem de incalzire electrica prin pardoseala, pentru apartamentul cu caracteristicile dimensionale si constructive precizate la cap.4.1,marimile necesare abordarii calculelor de evaluare a sarcinii termice necesare ,sunt prezentate sintetic in urmatoarele tabele :
temperaturile corespunzatoare pentru apartament (tab.4.2) sunt :
Tab.4.2
dimensiunile de calcul ale apartamentului sunt (Tab. 4.3) :
Tab.4.3
Ruland algoritmul de calcul precizat la cap.3.2 pentru apartamentul cu caracteristicile precizate la cap.4.1,din tabelul 4.1 rezulta sarcina termica necesara in fiecare incapere si /total apartament(tab.4.4) :
Tab.4.4
Pentru un sistem de incalzire cu rezistenta incorporata se aleg cabluri de incalzire electrica cu caracteristici conform…. care sa acopere necesarul de caldura,cu respectarea distantei minime dintre cabluri corespunzator puterii specifice de 17 [W/m] conform (tab.4.5) :
Tab.4.5
In concordanta cu suprafetele camerelor precizate la fig.4.1. lungimile desfasurate maxim posibile si in consecinta puterile maxim disponibile de incalzire prin cablurile rezistive sunt :
camera 1 :Lmax= 69 [m]; Pmax = Lmax*17 [W/m] = 1173 W;
camera 2 :Lmax= 23 [m]; Pmax=Lmax*17 [W/m] = 391 W;
camera 3 : Lmax= 69 [m]; Pmax=Lmax*17 [W/m] = 1173 W;
camera 4 : Lmax= 54 [m]; Pmax=Lmax*17 [W/m] = 918 W ;
Instalarea .
Pe un strat de izolatie din polistiren extrudat cu grosimea de 0,2m se aseaza o retea metalica. Reteaua este din sarma rotunda, grosimea si ochiurile ei sunt suficente pentru a asigura distanta intre cabluri si izolatie ( 2mm diametrul sarmei si ochiul de 5x5cm ). Cablurile de incalzire sunt asezate uniform pe toata suprafata de incalzit, respectand distanta minima prevazuta in table. Ambele capete a cablului incalzitor sunt ingropate complet in mortar. El va fi fixat de reteaua metalica si apoi acoperit cu nisip sau mortar de o grosime de minim 50mm grosime. Dupa instalare circuitul de incalzire poate fi cuplat la sursa de energie electrica numai dupa ce mortarul este complet uscat ( aprox. 30 zile ).
Proiectarea instalatiei electrice
In Anexa 1 este prezentat elaborarea schemei electrice desfasurate in care se regaseste proiectarea instalatiei electrice de alimentare, protectie, comanda si reglare. Astfel in functie de puterea aparenta S[VA] si curentul nominal I[A], stiind ca tensiunea nominala de alimentare monofazata este de 230V, iar factorul de putere pentru elemente rezistive este 1, se aleg din cataloage elementele incalzitoare si cablu bifilar aferent acestor elemente incalzitoare, prezentat in tabelul de mai jos (Tab.4.6):
Tab.4.6
In continuare se aleg din cataloage pe baza schemei electrice desfasurate intreruptor general ( disjunctor termo-magnetic ), dispozitive de protectie la scurtcircuit (disjunctoare termo-magnetice ), contactoare, regleta de conexiuni, precum si termostatele de ambiant prezentate in tabelele de mai jos:
In functie de curentul nominal se alege din cataloage cablul de alimentare aferent tabloului general de distributie, precum si lungimea acestuia, necesar pentru conectarea individuala a fiecarui termostat la releul termic din tablou.
Acestea sunt prezentate in tabelul de mai jos (Tab.4.7):
Tab.4.7
In continuare s-a realizat tabelul in care sunt prezentate corpurile ce vin instalate in apartament. Acestea duc la scaderea suprafetei pe care vine montat cablurile de incalzire. Acest tabel este prezentat mai jos (Tab.4.8):
Tab.4.8
In functie de acest tabel s-a putut determina suprafata neacoperita din apartament, realizandu-se astfel traseul cablurilor de incalzire prezentat in Anexa 2. Asfel s-a putut calcula si distanta dintre cabluri aratand ca corespund cerintelor din tabelul cu distanta minima intre cabluri. Se va tine cont ca in dormitor si camera de zi se va pune parchet laminat, iar in baie si bucatarie gresie. Tabelul este prezentat mai jos (Tab.4.9):
Tab.4.9
Pentru a demonstra ca s-a facut o instalare corecta si precisa se va face in tabelul ce urmeaza (Tab.4.10) verificarea la caderea de tensiune ( pierderea de tensiune ) care trebuie sa fie <=5%, tinand insa cont de urmatoarele: lungimea cablului incalzitor, puterea activa, tensiunea nominala, sectiunea cablului bifilar si conductivitatea cuprului ( δ=56 m/Ω*mmp):
Tab.4.10
In acest proiect s-a acoperit necesarul de caldura pentru fiecare incapere in parte astfel incat sa se realizeze o temperatura medie ambientala de 22
CONCLUZII ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE
Încălzirea electrică prin pardoseală nu mai reprezintă demult o soluție extravagantă de încălzire a spațiilor locative căci, prin continuă dezvoltare și perfecționare a metodei, aceste sisteme au devenit nu numai o certitudine ci și o alternativă viabilă și eficientă pentru alte metode existente de încălzire a locuințelor.
Un set impresionant de avantaje fac ca aceste sisteme de încălzire să iasă tot mai mult în evidentă devenind de multe ori, datorită confortului termic deosebit pe care îl oferă, prima opțiune de încălzire a încăperilor.
-instalatiile de încălzire electrică prin pardoseală propun un confort termic net superior celorlalte sisteme de încălzire datorită creșterii temperaturii la nivelul podelei și distribuția ei uniformă pe verticală, înspre tavan.
-prin uniformitatea fluxului termic și prin prezență termostatului care controlează atât temperatura în încăpere cât și temperatura în interiorul pardoselei – la nivelul cablului electric încălzitor – se realizează o scădere cu 1-2 grade Celsius a temperaturii medii din cameră fără a afecta însă indicele minim de confort termic.
-intreaga instalație electrică de încălzire funcționează pe principiul degajării de căldură la trecerea unui curent electric printr-un conductor. Se poate deduce astfel că acest sistem este unul deosebit de silențios și în plus, deoarece cablurile încălzitoare sunt bine izolate și încastrate în pardoseală, instalația oferă utilizatorului o funcționare discretă și sigură.
– ca durată de viață, sistemul prezentat este unul foarte eficient : durata de viață estimată a cablurilor este de aproximativ 100 de ani, egală cu durata de viață estimată a clădirii. În plus, instalația nu conține componente în mișcare (pompe hidraulice, motoare electrice, agent termic – apă) deci, șansele ca aceasta să se defecteze și să se deterioreze în timp sunt reduse.
Pe lângă aceste importante avantaje oferite de sistemele electrice de încălzire prin pardoseală metoda presupune și unele dezavantaje care impun o ‘documentare’ serioasă înaintea luării deciziei de a utiliza un astfel de sistem de încălzire a locuinței.
-clădirile care se echipează cu astfel de sisteme trebuie să fie bine izolate termic – să aibă pierderi mici de căldură. Dacă clădirea nu este bine izolată și pardoseala nu poate acoperi necesarul de căldură atunci este recomandat să se adopte un sistem mixt, completând cu alte surse (radiatoare).
-in ceea ce prive te proiectarea, sistemul de încălzire prin pardoseală comportă calcule mai complexe fată de sistemele clasice de încălzire.
-un alt dezavantaj îl constituie relativa rigiditate a sistemului care, odată executat, nu mai poate fi corectat prin adăugiri sau diminuări (lucru ușor de făcut, de exemplu, la un radiator). În plus finisajul pardoselei trebuie să rămână cel pentru care s-a elaborat proiectul (speciali ții spun, de exemplu, că o pardoseală din gresie dacă va fi acoperită cu o mochetă emisia de căldură din încăpere se va înjumătăți).
-poate cel mai mare dezavantaj al acestor sisteme îl constituie prețul energiei electrice. Datorită prețului ridicat pentru kW/h sistemele electrice de încălzire prin pardoseală, chiar dacă nu pot fi egalate din punct de vedere al confortului termic oferit, sunt devansate ca eficientă a costurilor de alte metode de încălzire a încăperilor.
Contribuții personale la realizarea acestei lucrări :
-obtinerea materialului bibliografic (informații luate de pe internet și cărți din biblioteca personală sau Universitară) necesar realizării părții introductive (partea teoretică) a lucrării ;
-traducerea documentației din limba engleză (unde a fost cazul) ;
-sinteza aprofundată a întregului material bibliografic cu scopul de a oferi un ‘pachet’ informațional introductiv cu referire la tema lucrării cât mai concis ;
-sinteză bibliografică pentru aproximarea corectă a necesarului termic al încăperilor;
-calculul efectiv al necesarului de căldură din fiecare cameră ;
-dimensionarea și alegerea tuturor elementelor componente (cabluri încălzitoare, cabluri de alimentare, termostat, aparataj de protecție) ale instalației de încălzire prin pardoseală ;
-realizarea schemei electrice de alimentare și protecție a instalației ;
-aproximarea eficienței energetice a metodei.
BIBLIOGRAFIE
[1] Jan F. Kreider (ed.): Handbook of Heating, Ventilation and Air Conditioning 2001, CRC Press LLC, USA;
[2] www.ashrae.org;
[3] http://www.uigi.com/technology.html
[4] http://ro.wikipedia.org/wiki/Atmosfer%C4%83_standard
[5] Sistemul Internațional de unități SI, ediția a 2-a, Ed Didactică și Pedagogică, București 1982 (traducere din limba franceză);
[6] www.truetex.com/psychrometric_chart.htm;
[7] I.Sora,N.Golovanov s.a,Electrotermie si electrotehnologii (vol I-
Electrotermie),Ed.Tehnica.Bucuresti;1986
[8] Kuzman Raznjevic: Tabele și diagrame termodinamice, Ed Tehnică, București 1978;
[9] Chiriac Florea: Mașini Și Instalații frigorifice, Ed AGIR, București 2006;
[10] D. Comșa: Instalații electrotermice industrial, vol 1, Ed Tehnică, București 1986;
[11] www.birta-kago.ro
[12] Ion Asavinei: Ghid pentru utilizarea termocuplurilor in masurari industriale,
Ed Tehnica,Bucuresti 1981;
[13] *** „Catalog Shibaura Thermistor” , Tokyo Japan,2005;
[14] http://www.amass.ro
[15] http://ro.wikipedia.org/wiki/%C3%8Enc%C4%83lzire_prin_pardoseal%C4%83
[16] http://www.scribd.com/doc/21579827/Manual-Incalzire-in-pardoseala
[17] www.rivov.ro
[18] www.devi.co.uk
BIBLIOGRAFIE
[1] Jan F. Kreider (ed.): Handbook of Heating, Ventilation and Air Conditioning 2001, CRC Press LLC, USA;
[2] www.ashrae.org;
[3] http://www.uigi.com/technology.html
[4] http://ro.wikipedia.org/wiki/Atmosfer%C4%83_standard
[5] Sistemul Internațional de unități SI, ediția a 2-a, Ed Didactică și Pedagogică, București 1982 (traducere din limba franceză);
[6] www.truetex.com/psychrometric_chart.htm;
[7] I.Sora,N.Golovanov s.a,Electrotermie si electrotehnologii (vol I-
Electrotermie),Ed.Tehnica.Bucuresti;1986
[8] Kuzman Raznjevic: Tabele și diagrame termodinamice, Ed Tehnică, București 1978;
[9] Chiriac Florea: Mașini Și Instalații frigorifice, Ed AGIR, București 2006;
[10] D. Comșa: Instalații electrotermice industrial, vol 1, Ed Tehnică, București 1986;
[11] www.birta-kago.ro
[12] Ion Asavinei: Ghid pentru utilizarea termocuplurilor in masurari industriale,
Ed Tehnica,Bucuresti 1981;
[13] *** „Catalog Shibaura Thermistor” , Tokyo Japan,2005;
[14] http://www.amass.ro
[15] http://ro.wikipedia.org/wiki/%C3%8Enc%C4%83lzire_prin_pardoseal%C4%83
[16] http://www.scribd.com/doc/21579827/Manual-Incalzire-in-pardoseala
[17] www.rivov.ro
[18] www.devi.co.uk
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Solutii Moderne Pentru Incalzirea Electrica Rezidentiala (ID: 163700)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.