Stadiul Actual al Tipurilor de Colectoare Solare

STADIUL ACTUAL AL TIPURILOR DE COLECTOARE SOLARE

Cronologia utilizării sistemelor de conversie a energiei solare

Soarele este cel mai mare corp spațial aflat in sistemul nostru solar, situat la 150 milioane de kilometri. Energia soarelui face viată posibila pe pământ , iar potențialul enorm al lui a captat atenția oamenilor de știința de secole. Energia solara are potențialul de a îndeplini necesarul total de energie al întregii planete.[1]

Figura 1.1 Modelul unei lupe concentratoare antice[2]

Încă din secolul III I.H. , preoții foloseau aceste lupe pentru a aprinde torțe in temple. In templele clasice, focul sfânt perpetuu , ca torța Olimpica trebuia sa fie pura si sa provină de la zei. Astfel se foloseau de razele soarelui concentrate cu oglinzi. Arhimede, matematician renumit , ar fi folosit lentile concentratoare pentru a incendia flota romana in 212 I.H. , dar nu exista dovezi concrete acest sens [3].

Figura 1.2 Arma lui Arhimede [4]

Primul colector solar sau așa numitul ’’cuptorul solar’’ a fost construit in 1767 de Horace de Saussur, un om de știința elvețian. După mai multe încercări, el a dedus ca o cutie bine izolata, cu 3 straturi de sticla creează foarte multa căldura. Temperatura cea mai ridicata obținuta in acest mod, a fost de 110 grade Celsius. El a mai descoperit si faptul ca temperatura nu variază mult daca aceasta cutie este coborâta din vârful muntelui Cramont aflați in Alpii Elvețieni si pana la Câmpiile Cournier, adică 1478 metri mai jos iar temperatura aerului fiind de 34 grade C [5].

Figura 1.3 Concepția unui artist despre cuptorul solar a lui Saussure [6]

In anul 1839 a fost descoperit efectul fotovoltaic de către un om de știința tânăr, francezul Edmound Becquerel. In timp ce experimenta cu o celula electrochimica, care conținea doi electrozi metalici plasați într-o soluție conducătoare de curent. Acesta a observat ca cantitatea de curent produsa creste atunci când celula este expusa la soare. Este descoperirea care sta la baza celulei fotovoltaice, una dintre cele mai importante descoperiri din domeniul energiei regenerabile.[7]

In anii 1860 , un matematician francez , August Mouchet, a propus ideea pentru un motor cu aburi alimentat de la soare. Timp de câteva decenii, el si asistentul lui, Abel Pifre, au construit motorul , având numeroase aplicații. Acestea au devenit predecesoarele concentratoare parabolice de tip disc moderne [7].

In anul 1873, Willoughby Smith a descoperit fotoconductivitatea seleniului.[7] Câțiva ani mai târziu, in 1883, Charles Fritts, un inventator american, a creat prima celula solara funcțională cu selenium , el a acoperit semiconductorul selenium cu o foita foarte subțire de aur [8].

Figura 1.4 In stânga se afla Charles Fritts , iar in dreapta prima celula funcțională [9]

In anul 1891 , Clarence Kemp, un inventator din Baltimore, a patentat primul colector solar comercial , Climax. Acesta a combinat vechile practici de a expune un rezervor metalic la soare cu conceptul științific de ’’cuptor solar’’[10].

Figura 1.5 Brevetul original a lui Clarence , US451384 A [11]

In anul 1905 , Albert Einstein , care e faimos pentru punctele de reper pe care le-a stabilit in știința, a publicat o lucrare mai puțin cunoscuta, efectul fotovoltaic. El a formulat teoria fotonului de lumina , care descrie cum lumina poate „elibera” electroni pe o suprafața de metal. În 1921, la 16 ani după ce a predat lucrarea, i-a fost acordat premiul Nobel pentru aceasta descoperire [12].

In anul 1918, un cercetător polonez, Jan Czochralsk , a dezvoltat o cale pentru a obține siliciu monocristalin. Descoperirea a fost accidentala, in loc sa își introducă stiloul in penița, l-a introdus intr-un creuzet cu staniu topit. L-a scos imediat si a descoperit ca un strat subțire de metal solidificat atârna de penița. Penița a fost înlocuită de un capilar, iar Czochralsk a verificat ca metalul cristalizat este monocristalin si a stabilit un procedeu ce ii poarta numele, procedeul Czochralski [13].

In anul 1945, compania producătoare de sticla, Libbey-Owens-Ford, a inițiat un proiect deoarece au primit zeci de scrisori de la prospectori imobiliari in care sunt adresate întrebări ca „ cum trebuie sa arate o casa solara”. Aceste întrebări apar după efortul tehnologic din Al Doilea Război Mondial, unde resursele de energie erau epuizate. In cele din urma, Libbey-Owens-Ford , cu ajutorul a 49 arhitecți , au lansat o publicație , Your Solar House , prima de acest fel , in care sunt expuse 49 de case proiectate pentru a utiliza radiația solara ca o sursa auxiliara de încălzire [14].

In anul 1954 s-a născut tehnologia fotovoltaica in Statele Unite ale Americii. Daryl Chapin , Calvin Fuller si Gerald Pearson , cercetători la laboratoarele Bell au dezvoltat celulele solare fotovoltaice din silicon (PV) . Au fost primele celule care au reușit sa convertească energia solara îndeajuns încât sa poată sa alimenteze echipamente electrice folosite in mod obișnuit , eficienta lor fiind de 4 % , mai târziu ajung si la 11 % . O invenție care a revoluționat domeniul energiei regenerabile , iar majoritatea panourilor din ziua de azi sunt bazate pe același principiu [7].

Figura 1.6 Inginer de testare de la laboratoarele Bell efectuând teste in 1954 [15]

Anul 1956 , Albuquerque , New Mexico . Doi arhitecți, Frank Rodgers si Mike Paston își vad ideea avuta cu ani in urma luând forma finala. Construcția primei case încălzite cu ajutorul soarelui, Solar Building , este finalizata. Noutatea consta in sistemul de încălzire , care este alcătuit din colectoare solare , acoperind 74 m2 din latura sudica a clădirii. Colectoarele sunt inclinate la 30 de grade, fata de verticala, pentru a profita la maxim de lumina soarelui iarna. Apa calda provenita din instalații alimenta un rezervor izolat de aproximativ 22.000 de litri, care , in mod normal era îndeajuns pentru a încălzi casa. Daca vremea era predominant noroasa, exista o pompa de căldura care putea sa scoată căldura rămasa nefolosita din circuit.

Sistemul a funcționat 6 ani, dar după o reconstrucție a clădirii, s-a optat pentru un boiler care sa efectueze încălzirea, iar proiectul a fost uitat. Asta pana in anul 1973, in timpul Crize de Petrol , care a afectat si Statele Unite a Americii , si atenția asupra energiei solare si surselor alternative de încălzire a revenit. Atunci si sistemul de încălzire a fost repus in funcțiune, au apărut si schimbări, a fost automatizat sistemul de control iar lichidul de lucru a fost schimbat cu etilen glicol [16].

Figura 1.7 Clădirea Solar Building (2010) , înregistrata la U.S. Locuri Istorice [16]

In anul 1956 , William Cherry , cercetător la laboratoarele U.S. Signal Corps , a colaborat cu laboratorul RCA si Joseph Lofersk pentru a dezvolta celule fotovoltaice care pot fi folosite in a alimenta sateliți plasați pe orbita. In anul 1958, la același laborator , s-a construit panoul fotovoltaic cu joncțiune n – p , care au avut o importanta critica pentru sateliți , rezistând mult mai mult la radiații [7]. Acest panou a fost folosit pe satelitul Vanguard I , al patrulea satelit lansat si primul alimentat de panouri fotovoltaice. Erau 6 la număr, având aproximativ 5 centimetri pe o parte si cu o putere instalata de 1 W [17].

Odată cu aceasta lansare, s-a deschis calea folosirii extensive a panourilor fotovoltaice, care , pana in acel moment erau doar subiect de experimente. Industria in care erau folosite era in plina expansiune, dispunea de fonduri mari. Începea era comunicării, cursa către spațiu începuse, iar Războiul Rece nu putea sa aducă decât inovații in acest domeniu.

Au urmat alte lansări in anul 1959, satelitul Explorer VI in data de 7 August , cu 9600 celule solare ( 1 centimetru x 2 centimetri fiecare ). A urmat Explorer VII a fost lansat [7].

In anul 1966 , Garda de Coasta a Japoniei a instalat o platforma de celule fotovoltaice Sharp cu o putere de 225 W , la farul Ogami-Jima. Era cea mai mare platforma din aceea vreme. Panourile S-224 si S-225 , fabricate de Sharp, au continuat sa deserveasca farurile de pe teritoriul Japoniei, pana in anii 1970. Puterea totala instalata trecea de 3000 W [18].

Tot in anul 1966 , NASA , agentia spatiala aparținând de Statele Unite ale Americii, a lansat Observatorul Astronomic Orbital, care a furnizat primele observații de mare calitate a mai multe obiecte in lumina ultravioleta. Satelitul era alimentat de o platformă de celule fotovoltaice cu o putere instalată de 1 kW [7].

Figura 1.8 Concepția unui artist a Observatorul Astronomic Orbital – 1 in orbita [19]

Anii 1970 au reprezentat alt punct de cotitură in industria celulelor fotovoltaice. Doctorul Elliot Berman, cu ajutor de la Corporația Exxon , a descoperit ca utilizând siliciu policristalin, prețul unei celule scade de 5 ori .Odată cu aceasta descoperire , celule fotovoltaice au început sa fie folosite ca o sursa de energie alternativa in zone greu accesibile , de exemplu, platforme petroliere [20].

In anul 1973, odată cu prețul redus al panourilor fotovoltaice, Universitatea din Delaware a construit prima casa alimentata cu ajutorul unei platforme PV. Sistemul era hibrid PV/termic , ziua , curentul produs era transmis printr-un instrument de măsura către consumatori, iar noaptea curentul necesar era preluat in rețeaua convențională de curent. Pană si căldura degajata de panouri era utilizata cu ajutorul unor schimbătoare de căldură si ventilatoare [7].

In anul 1977 , producția totala de celule fotovoltaice depășește 500 kilowați [7].

Anul 1978 debutează cu instalarea unei platforme fotovoltaice care deservește rezervației Papago Indian, prima de acest fel. A fost instalată de Centrul de Cercetare Lewis, care aparținea de NASA. Sistemul avea o putere instalata de 3.5 kilowați , energia fiind folosita pentru a pompa apa dintr-un put si pentru a alimenta 15 case [7].

In anul 1982 apare prima platforma fotovoltaica care produce peste 1 megawatt de energie. Construita de ARCO Solar in Hisperia , California, era compusa din 108 module, care se putea efectua mișcări pe 2 axe, pentru a maximiza energia produsă [7].

Figura 1.9 Platforma fotovoltaică din Hisperia, California [21]

In anul 1986 , cea mai mare platforma solar-termica din aceea vreme a fost data in folosință. Localizata in Kramer Junction , ea era formata din rânduri de oglinzi care concentrau puterea soarelui pe un sistem de țevi in care circula un lichid de transfer de căldură. Lichidul era folosit pentru a produce aburi, care, la rândul lor, produceau curent electric prin turbine convenționale [7].

Figura 1.10 Dimensiunile impresionante ale platformei solar-termice din Kramer Junction [22]

In anul 1992, Universitatea din Florida de Sud a dezvoltat o celula fotovoltaica cu o eficienta de 15.9% , folosind un strat subțire de cadmiu-telur pe un substrat , fiind prima oara când pragul de 15 % eficienta este depășit .

In anul următor , 1993, firma Pacific Gas & Electric a finalizat instalarea unei platforme fotovoltaice in Kerman, California. Noutatea consta in legarea platformei la rețeaua națională de energie, fiind primul efort in acest sens.

In anul 1994, Laboratorul National de Energie Regenerabila obține o celula solara, produsa din fosfura de galiu-indiu si galiu-arseniu, ai cărei eficienta trece de 30 %, prima realizare de acest fel.

In anul 1996, cel mai performant avion propulsat cu ajutorul soarelui, Icare , a zburat deasupra Germaniei. Suprafața aripilor si a cozii era acoperita de 3000 de celule fotovoltaice, însumând o arie totala de 21 m2 [7].

Figura 1.11 Icare, avion propulsat in întregime de puterea Soarelui [23]

In anul 2000, astronauții încep instalarea panourilor fotovoltaice pe Stația Spatiala Internațională. Platforma actuala este cea mai mare si ca dimensiuni si ca putere care a fost ridicata vreodată pe orbita. Este dubla, celulele fotovoltaice fiind dispuse pe ambele parți , o parte preiau energia direct de la Soare iar partea opusa preia energia reflectata de pe Pământ. Platforma este aranjata in 2 perechi de aripi, fiecare aripa producând 32.8 kilowați. Aria totala pe fiecare aripa este de 375 m2 , cu o lungime de 58 metri [24].

La momentul redactării lucrării (18.05.2015), cu ajutorul datelor in timp real obținute de pe Stația Spatiala Internațională , panourile solare produceau 109.5 kilowați [25].

Figura 1.11 Doua dintre cele 4 aripi , situate pe Stația Spatiala Internațională [24]

In anul 2001, Corporația PowerLight a montat in Hawaii cel mai mare sistem hibrid care combina puterea obținută din panouri fotovoltaice cu cea obținută din eoliene. Ce este neobișnuit este puterea instalata a platformelor PV – 175 kilowați, fata de cea a eolienelor, 50 kilowați [7].

Deoarece spațiul disponibil pentru montarea de panouri fotovoltaice este limitat pe insula, formele constructive devin din ce in ce mai ingenioase, conform figurii 1.12.

Figura 1.12 Panouri solare montate pe scoală Punahou, Hawaii [26]

In anul 2015 , un avion experimental elvețian , alimentat cu panouri solare, parcurge înconjurul lumii. Sub denumirea de Solar Impulse 2 , el poate sa devina primul avion cu aripi fixe care a parcurs întreg mapamondul. Puterea vine de la Soare prin intermediul a mai mult de 17.248 panouri solare din siliciu monocristalin, cu o grosime de 135 microni, care produc aproximativ 340 kilowați/ora si au o arie totala de acoperire de 269.5 m2. Ele sunt un compromis intre greutate, flexibilitate si eficienta ( 23 % ) . [27]

Figura 1.13 Solar Impulse 2 , cel mai performant avion alimentat cu panouri solare [27]

1.2 Utilizarea energiei solar-termice in prezent

Energia regenerabila este , in prezent, un segment important din piața globală a energiei, iar viitorul aduce o creștere semnificativa , cel puțin planificata , a utilizării ei.

Figura 1.14 Utilizarea energiei regenerabile in lume [28]

Colectarea energiei termice solare reprezintă o ramura a energiei regenerabile. Ele dețin unul dintre cele mai mari randamente, in jur de 75 % – 90 % , raportat la energia solara , respectiv a razelor incidente solare , aproximativ 200 – 1000 W/m2 , pe continentul nostru. Randamentul ridicat provine din utilizarea a aproape întreg spectrul radiației solare.

Primele suprafețe mari acoperite cu colectoare solare termice au apărut in anii 1970, utilizarea lor principala fiind la încălzirea apei din bazinele de înot. Germania , printr-un sprijin guvernamental , a acordat un impuls instalării de colectoare solare.

Panoul solar termic a fost apoi utilizat pana in anul 2002 pentru a prepara apa calda , in special apa calda menajera. Recent , datorita randamentului ridicat , iar costurile producerii unui panou sunt mai scăzute, se ia in calcul din ce in ce mai des si furnizarea energiei produse pentru a încălzi clădiri. Daca in circuit apare si un rezervor de apa izolat termic, încălzirea clădirii se poate realiza doar folosind panourile solare termice.

Pomparea lichidului in panourile termice si aducerea lui in punctul unde poate fi folosit sau depozitat se poate produce fără utilizarea unei surse de energie externa. In acest caz , se utilizează principiul termosifon, principiu bazat pe diferența de densitate a lichidului folosit ca agent termic la temperaturi diferite. Un exemplu, folosind apa ca agent termic, este ca cea rece are o densitate mai mare ca cea calda , astfel va cobora. Diferența dintre încălzirea centrală si cea solara, chiar daca utilizează același principiu, rezervorul, in cazul celei solare, trebuie sa se găsească deasupra colectorului, adesea cele doua formând un bloc comun.

Contrar, se va folosi circuit forțat, folosind sisteme ce utilizează pompe acționate electric, reglaje automate , etc.

Cum am precizat , utilizarea cea mai comuna ale colectoarelor solare o reprezintă prepararea apei calde menajere. Odată panourile solare termice si rezervorul montate corespunzător , teoretic, se poate asigura apa calda necesara consumului casnic tot timpul anului, dar datorita sezonului rece , este necesara o suprafața totala mai mare a panourilor solare termice, rezultând o supradimensionare in sezonul cald. Soluția practica este asigurarea apei necesara menajere pe o perioada de aproximativ 6 luni , cu preponderenta in sezonul de vara.

Daca o instalație care utilizează panourile solare in cauza este racordata la sistemul de încălzire din imobilul respectiv, contribuția la reducerea costului de încălzire devine semnificativă , in cele mai multe cazuri scazand cu câteva zeci de procente. În cazul unei case zero – energy , întregul sistem se poate racorda un rezervor izolat pentru a stoca caldura, ceea duce la eliminarea completa a utilizării surselor convenționale de încălzire [29].

Refacere poza Figura 1.15 Schema de funcționare a unui colector solar plan-plat, cu circuit forțat, care folosește un schimbător de căldură central aflat in rezervorul de stocare [30]

1.3 Considerente economice {de precizat un cost}

Aspectele de baza pentru montarea unui panou solar termic sunt cele economice si ecologice ale utilizării energiei solare, reprezentant cel mai răspândit sistem în lume. Unele avantaje care trebuie luate in calcul din numeroasele deținute de acest sistem:

asigura un grad ridicat de captare a energiei solare, datorita randamentului ridicat , prin utilizare a aproape întregului spectru solar;

amortizarea investiției se realizează intre 3 si 8 ani, depinzând de tipul sistemului;

odată cu montarea sistemului, costul întreținerii este aproximativ același cu un sistem bazat pe energii convenționale;

Acest sistem de încălzire este in cele din urma economic, întreținerea se efectuează ușor, iar deoarece are în structura sa aceleași elemente de sistem pe care le foloseste si o instalatie de încălzire clasica, părțile componente sunt ușor de cumpărat, existând o varietate mare pe piața (pompe, conducte ,etc. ). În funcție de puterea de captare a energiei si de necesarul de apă calda , rezervorul este dimensionat, având capacitati de 300, 400, 500 sau 1.000 de litri [31].

Pentru obținerea necesarului, sistemul solar-termic trebuie dimensionat in concordanta cu numeroase aspecte:

nevoia zilnică de apă caldă , dimensionarea recomandată este la 70 % din necesarul de energie din cauza diferențelor de capacitate în funcție de anotimp;

destinația clădirii (clădire de birouri, reședință de familie ) ;

suprafața utila, suprafața piscinei daca exista, suprafața si orientarea acoperișului;

locația , pentru a afla puterea solara disponibila, orele de lumina;

existenta umbririi, cauzata de obiectele din jur;[32]

Rezultă , din punct de vedere economic , ca cea mai viabila soluție pentru teritoriul României o reprezintă un sistem hibrid .

Figura 1.17 Sistem hibrid de încălzire a apei menajere [33]

CLASIFICARE PISCINE

Piscina este una dintre activitățile preferate in sezonul călduros. Totodată, este si cea mai buna metodă de tonifiere, înotul folosindu-se aproape de toți mușchii corpului. Majoritatea oamenilor folosesc piscinele exterioare subterane publice , dar poți avea una si in jurul casei, daca doriți un cadru mai intim. Daca nu dispuneți de un buget mare, o piscina supraterană fixă sau gonflabila poate fi soluția ideală.

Alegerea unei piscine depinde de mai mulți factori, printre care bugetul alocat investiției, locul disponibil pentru montare, dar si timpul de lucru alocat constructorului. Materialele folosite pentru construcție variază odată cu tipul construcției. Pentru o piscina subterana, cel mai folosit material este betonul, datorita flexibilității in design, pot avea orice forma, de la clasice la incadarea in forme neregulate. Un alt procedeeu cunoscut este torcretarea betonului ( aplicarea lui sub presiune ) pe o suprafata ranforsata cu grinzi de otel , cu o durata de constructie de aproape 12 saptamani. Urmeaza vinilinul, care sunt deja realizate, vin in zeci de forme prefabricate, sunt cele mai usor de montat si cu costul cel mai mic. Durata de montare este de aproximativ 3 saptamani. Mai exista piscine din fibra de sticla, gata turnate, montarea durand doar 3 saptamani. Un avantaj mare il reprezinta suprafata , care este

neteda, algele lipindu-se greu, facand piscinele usor de intretinut.

Pentru o piscina supraterana , materialele folosite sunt plastic PVC, otel galvanizat sau metal si spuma poliuretanica.[34]

Principala clasificare este in functie de destinatie, piscine de interior si piscine de exterior. Cele de interior sunt subterane si cu putine solutii constructive.

Figura 2.1 Piscina interioara subterana [34]

Piscinele exterioare detin o varietate de clasificare mult mai mare , precum:

piscina subterana acoperita (figura 2.2);

Figura 2.2 [ 35]

piscina subterana neacoperita (figura 2.2);

Figura 2.2 [35]

piscina supraterana gonflabila (figura 2.3);

Figura 2.3 [36]

piscina supraterana fixa (figura 2.4);

Figura 2.4 [36]

Dimensiunile unei piscine pot varia, cele private neavand nicio marime de referinta, dar cele publice au o lungime intre 25 si 50 de metri, o latime intre 10 si 50 metri si adancime variabila, depinzand de scopul ei. [37]

Figura 2.5 Dimensiunile unei piscine olimpice standard [37]

TIPURI INCALZIRE PISCINE

3.1 Rolul si functionarea sistemelor de incalzire ale piscinei

Piscinele au fost folosite inca din Antichitate pentru a antrena atleți, pentru exercitii militare si pentru jocuri nautice. „ Great Bath” (Marea Baie) , in situl arheologic Mohenjo – Daro , Pakistan in ziua de azi, a fost prima piscina , construita in mileniul 3 I.H. Imparati romani aveau bazine in care tineau si pesti, numite in latina „piscina”, de unde provine si denumirea actuala. Prima piscina incalzita a fost construita de Gaius Maecenas din Roma in primul secol I.H. [39]

În epoca modernă, piscina a devenit un echipament indispensabil atât pentru colectivitățile mari (ștranduri), cât și pentru utilități private, hoteluri, campinguri, sport de performanță, turism verde, etc. Mediul creat este folosit atat pentru activitati sportive cat si pentru destindere si socializare.

Pentru a asigura calitatea acestui mediu si pentru a imbunatati activitatile recreative sau sportive, apa din piscina trebuie incalzita.

Un sistem de incalzire a apei din piscina detine urmatoarele functii:

mentine apa la o temperatura constanta : 25 ° C pentru innot de performanta,

28 ° C pentru innot de relaxare; [40]

igienizează si filtreaza apa , pentru a reduce riscul de imbolnavire si a reduce impuritatile;

recircula, intr-un interval prestabilit, intreg volumul de apa continut in piscina;

Componentele prevazute intr-un sistem complet de incalzire :

Figura 3.1 Sistem complet pentru piscina subterana interioara/exterioara [41]

Principiul de functionare al sistemului este urmatorul:

apa din bazin este introdusa in sistem prin intermediul unui sifon de fund, skimmer sau aspirator manual cu ajutorul unei pompe de si introdusa in filtru;

rolul filtrului cu granule de nisip este de a mentine apa limpede si curata;

dupa filtrare, apa ajunge la intr-un schimbator de caldura, unde se incalzeste la o temperatura prestabilita;

ultima componenta este clorinatorul, unde apa este sterilizata din punct de vedere microbiologic;

apa ajunge inapoi in bazin prin stuturi de introducere;

sistemul electric automatizat asigura mentinerea temperaturii si recircularea apei in intervale stabilite anterior;

Schimbatorul de caldura are rolul de a incalzi apa, prin transferul de caldura de la o sursa calda (un agent termic) spre o sursa rece (apa din bazin).Exista o multitudine de tipuri si solutii constructive, cel prezentat in figura 3.2 este de tip regenerativ de suprafata, compus din doua medii, separate printr-un perete solid.

Principiu de funtionare:

un agentul termic, avand o temperatura ridicata, provenit dintr-o sursa de incalzire, intra in schimbatorul de caldura prin intrarea 1;

apa rece din bazin intra in acelasi schimbator prin intrarea 2;

are loc schimbul de caldura prin intermediul unui perete solid, conform principiului al doilea al termodinamicii, de la mediul mai cald la cel mai rece;

agentul termic racit paraseste schimbatorul prin iesirea 2;

apa incalzita se intoarce in bazin prin iesirea 4;

Figura 3.2 Schema de principiu a unui schimbator de caldura [42]

3.2. Instalatii de incalzire

Sistemul de incalzire a unei piscine poate avea ca sursa un sistem bazat pe energii conventionale sau energii regenerabile.

Incalzirea apei folosind o sursa conventionala implica folosirea energiei electrice sau energia provenita din arderea gazului metan, pacurei sau lemnului intr-o instalatie de preparare a apei calde menajere. Sistemul efectiv folosit este acelasi ca in figura 3.1, singura diferenta fiind sursa de incalzire a agentului termic care intra in schimbatorul de caldura.

Un sistem de incalzire electric foloseste o serie de incalzitoare electrice , dimensionate in functie de suprafata piscinei, volumul de apa continut de piscina si de temperatura dorita. Desi sunt usor de adaptat si montat, un astfel de sistem foloseste multa energie electrica, intre 1.5 si 3 kilowati pentru o piscina mica, suprafata maxima fiind de 15 m2. Incalzitoarele mari, cu o putere intre 3 si 18 kilowati, pot incalzi piscine mari, cu o suprafata totata pana la 100 m2, dar sunt sisteme care functioneaza folosind curent trifazat, implicand modificari pentru cei care nu dispun de un asemenea sistem, costul total marindu-se considerabil [43].

Sistemul de incalzire bazat pe gaz metan este cel mai raspandit sistem folosit pentru incalzirea apei din piscina. Sunt foarte eficiente cand piscina este folosita rar si avantajul lor major este ca pot mentine apa calda indiferent de vreme sau temperatura mediului exterior.Incalzitoarele moderne au o eficienta cuprinsa intre 89-95%, dar daca piscina este folosita zilnic iar temperatura din piscina se doreste a depasi 25º C, sistemul devine nerentabil [44].

Sistemele de incalzire bazate pe energii regenerabile au la bază instalații de încălzire ce au ca sursă de energie:

pompe de căldură;

sisteme pasive auxiliare;

colectoare solare;

3.2.1. Pompe de caldura

O pompă de căldură este o instalație de incalzire , transferand, cu ajutorul lucrului mecanic, caldura de la un mediu cu temperatura ridicata intr-un mediu cu temperatura scazuta. Poate functiona si in sens invers, devenind o instalatie de racire. In cazul de fata, sensul transferului de caldura este de cald la rece [45].

Pompele de căldură moderne ofera metode pentru reducerea atat a consumului de energie cat si reducerea emisiilor de CO2. Pompa de căldură oferă solutiile tehnice necesare pentru folosirea eficienta a energiei solare sub forma de căldură ecologică utilizata pentru încălzire și preparare de apă caldă menajeră [46].

Figura 3.3 Reprezentare schematică a ciclului de funcționare prin vaporizare-condensare pentru o pompa de căldură.

Legenda :1) condensator, 2) supapă de expansiune, 3) evaporator, 4) compresor.[47]

Conform unui studiu realizat de Agentia pentru Protectia Mediului din Statele Unite ale Americii, pompele de caldura ce folosesc apa geotermala pot sa reduca consumul de energie cu pana la 44 % fata de pompele de caldura ce folosesc ca sursa aerul, iar fata de centrala termica bazata pe rezistente electrice cu pana la 72% [48].

Pompele de caldura sunt clasificate in functie de sursa de caldura pe care o folosesc:

Pompa de căldură sol-apă (fig. 3.4);

Pompa de căldură apă-apă (fig. 3.4);

Pompa de căldură aer-apă (fig 3.5).

Figura 3.4 Pompa de caldura sol –apa care transfera caldura din sol prin intermediul unor spirale ingropate in pamant prin care circula un agent termic (apa) [46]

Figura 3.4 Pompa de caldura apa – apa, care transfera caldura din apa prin intermediul unor tuburi introduse in apa freatica prin care circula un agent termic (apa) [46]

Figura 3.5 Pompa de caldura aer-apa, aerul este pompat in interiorul aparatului, unde are locul schimbul de caldura cu agentul termic (apa) [46]

3.2.2 Sisteme de incalzire pasive

Exista mai multe metode pentru incalzirea pasiva a apei din piscina, una dintre ele este folosirea Solar Sun Rings , discuri solare, care folosesc 2 straturi de vinilin rezistent la razele ultraviolete. Stratul transparent de deasupra retine aerul si focalizeaza lumina soarelui pe stratul de dedesubt. Randamentul lor este de aproximativ 50 % , iar prin teste a rezultat un transfer de caldura de pana la 22.000 Jouli. Pentru o incalzire eficienta, 70% din suprafata piscinei trebuie acoperita [49].

Figura 3.6 Solar Sun Ring [49]

Acoperirea piscinei cu Solar Blanket, Patura Solara, este o alta metoda pasiva.

Caldura din apa se pierde prin evaporare cu pana la 70 %. Materialul dispus pe suprafata apei actioneaza ca o bariera, prevenind aceste pierderi si mentinand temperatura apei. Poate si incalzi apa, cu ajutorul soarelui, ridicand temperatura din piscina cu aproximativ 15 º C in decursul zilei. De asemenea, poate pastra seara temperatura apei, fiind redusa folosirea unei surse de incalzire externa. Materialul din care este fabricata este vinilin sau polipropilena [50].

Figura 3.7 Solar Blanket, Patura Solara [51]

3.2.3. Instalații de încălzire utilizând colectoare solare

Cea mai folosita metodă de încălzire pasivă a piscinei este folosirea colectoare solare.

Este recomandat folosirea colectoarelor solare pentru a incalzi apa calda menajera cand piscina nu este in uz si nu este necesara incalzirea ei, iar iarna se poate racorda la sistemul de incalzire al casei pentru a minimiza timpul de amortizare a investitiei.

Încălzirea apei din piscinele descoperite nu prezinta probleme tehnice deoarece sunt folosite doar o perioada mica din an, iar temperatura apei din piscină poate fi ușor adusă și menținută la temperatura de 23-29ºC. Ridicarea temperaturii apei din piscină cu 5-10ºC se poate realiza doar folosind captatori simpli orientati spre sud. Aceștia sunt prevăzuți cu serpentine realizate din furtun negru sau membrane din mase plastice sau cauciuc prevăzute cu canale pentru apă. Acumulatorul este in acest caz piscina. Datorită folosirii sistemului de încălzire doar în lunile de vara, nu există pericol de îngheț, deci nu necesită introducerea antigelului în circuitul captatorului solar.

Debitul de apa prin captatorul solar trebuie să fie constant și relativ mare, circulația acestuia fiind asigurată de o pompă de circulație, astfel încât sa se obțină o creștere de temperatură de maxim 8ºC în captatorul solar. În aceste condiții, captatorii solari pot capta anual 250-300KWh/m² adică pot folosi 25-30% din radiația solară medie anuală considerată de 1000KWh/m².

În prezent, în tehnica instalațiilor solare de încălzire a clădirilor și prepararea apei calde menajere, se folosesc o mare diversitate de captatori solari, producătorii oferind datele tehnice ale acestora. Funcționarea captatorului solar poate fi simplu explicată considerând un captator plan, unde:

pe o suprafață vopsită în negru (suprafața absorbantă) cade radiația solară directă și difuză. Radiația solară este transformată în căldură și suprafața de absorbție se încălzește;

pentru a putea transfera căldura obținută către consumatorul de căldură, este folosit un agent termic (apă, aer) care în contact cu suprafața absorbantă, preia căldura și o transportă spre consumatori. De regulă, în sau pe suprafața de absorbție sunt fixate conducte sau sunt realizate canale prin care circulă agentul termic;

pentru a reduce pierderile de căldură înspre mediul ambiant suprafața absorbantă este amplasată de regulă, într-o carcasă bine izolată din punct de vedere termic, fiind prevăzută doar pe partea frontală cu o suprafață tranparentă care să permită trecerea radiației solare (un geam). [46]

Figura 3.8 Principiu de functionare al colectorului solar [46]

4. Clasificarea colectoarelor solare

Conform STAS 12903-90, colectoarele solare plane se clasifică după următoarele criterii:

natura agentului termic (tabelul 4.1);

modul de asigurare a absorbției energiei solare (tabelul 4.2);

forma constructivă a ansamblului absorbant (tabelul 4.3);

forma constructivă a canalului prin care circulă agentul termic (registrul de țevi) (tabelul 4.4).

Tabelul 4.1 Clasificare după natura agentului termic

Tabelul 4.2 Clasificare după modul de asigurare al absorbției

Tabelul 4.3 Clasificare după forma constructiva ansamblului absorbant

Tabelul 4.4 Clasificare după canalul prin care circulă agentul termic [52]

Clasificarea generala a colectoarelor solare:

Colectoare plane-plate

Colectore cu tuburi vidate

Colectoare cu concentratori

4.1 Colector plan-plat

Sunt cele mai utilizate colectoare din lume pentru încălzirea apei menajere, dar si la piscine, sisteme de incalzire, etc., aplicatii ce necesita apa calda. Colectoarele plate au un avantaj major față de alte tipuri ce nu sunt la fel de rezistente în zonele in care ninsorile sunt abundente. Colectoarele solare plan-plate stabilesc standard la care toate celelalte tipuri de colectoare sunt raportate. [54]

4.1.1. Componentele colectoarelor solare plane – soluții constructive

Colectoarele solare plane reprezintă partea cea mai importantă a sistemelor proiectate să opereze în intervale joase de temperatură sau in intervale medii de temperatură.

Într-un colector plan intervin urmatoarele componente principale:

plăcile transparente (1): placa expusa direct la soare, formata din unul sau mai multe rânduri de placi de sticlă cu o grosime intre 3 si 4 milimetri; majoritatea colectoarelor solare au placa transparenta executata din două rânduri de plăci, cea montată la exterior este din sticlă cu rol de protectie, care a fost supusa la un tratament antireflex, iar cea din interior este o folie din material plastic cu transparenta ridicata;

circuitul fluidului purtător de căldură (registru țevi) (2): rolul lor este de a conduce sau direcționa agentul termic de la intrare la ieșire; tevile propriu-zise sunt construite dintr-un metal conducator de caldura, cupru fiind printre cele mai folosite;

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

izolatia termică (4): reduce pierderile de caldură prin părțile inferioare și laterale ale colectorului;

carcasa (5): conține toate componentele colectorului și le protejează de praf, umezeală, șocuri mecanice etc [55].

Colectoarele plane sunt impartite în două categorii în funcție de scopul utilizării lor, cele destinate încălzirii apei și cele destinate încălzirii aerului.

Condițiile în care diferite tipuri de colectoare plane sunt utilizate pentru încălzirea apei sunt:

cu circuit, cu o suprafata mică străbătută de apă și cu o capacitate de apă redusă, se utilizează materiale cu o bună conductivitate, ca și cuprul sau aluminiul; se utilizează la temperaturi înalte;

tipul sandwich, în care atat suprafata udată cat și capacitatea de apă sunt ridicate; se pot utiliza materiale cu o conductivitate redusă, ca plasticul sau oțelul; se utilizează la încalzirea piscinelor;

tipul semi-sandwich, în care se utilizează materiale cu conductivitate medie ca și oțelul sau aluminiul.

În cazul colectoarelor cu agent termic aer, clasificarea este realizată din punct de vedere al plăcii absorbante:

nervurată, putand prezenta diverse profile;

ondulată, avand acoperiri selective;

plană, metalică.

4.1.2. Principiul de funcționare

Un sistem este format din 2 părți: panou solar (colector) și rezervor (boiler).

Radiația solară este captată de suprafața absorbantă a colectorului solar format dintr-o tabelă de cupru tratată cu un strat selectiv din titan, iar sub aceasta sunt sudate tevile de cupru prin care circula agentul termic. Acest lichid, dupa ce absoarbe caldura degajata de tabela se încalzește si ajunge în partea de sus a colectorului după care ajunge în boiler. Boilerul contine apa menajeră care circulă libera în rezervor. Caldura agentului este transferata apei menajere, iar prin acest transfer, el se raceste si coboară din nou în colector astfel completand un ciclu. Temperatura agentului termic poate ajunge la 120°C, astfel că temperatura apei menajere din rezervor poate atinge 75-90°C pe timp de vară și 30-45°C pe timp de iarnă. În rezervor apa menajera sufera pierderi mici de caldura datorită faptului că este izolat cu un strat de poliuretan. Pentru sezonul rece, in rezervor exista si o rezistenta electrica cu o putere de 4 kilowati, prin care, cu ajutorul unui termostat, suplineste aportul de caldura. Temperatura exterioară nu afectează funcționarea instalației solare. În perioada de iarnă radiația solară este mai mică, datorita unghiului mic format de razele solare si orizontala si timpul propriu-zis de lumina.

În general, colectoarele plane sunt formate dintr-un registru de țevi din material termoconductor rezistent la coroziune (cupru, în general) cu aripioare din tablă pentru creșterea suprafeței de captare. Tot acest ansamblu este așezat într-o cutie bine izolată termic [57].

Fluxul termic care incalzeste agentul termic este partial redus datorita piederilor care apar in sistem, pierderi exemplificate in figura 4.3. Raza solara, care poate proveni de la o sursa directa sau una difuza , este reflectata partial de placa transparenta si partial absorbita de placa, care, prin efectul „plafoniera”, se incalzeste. Raza solara care a trecut ajunge la suprafata de absorbtie. Unde, din nou, este partial reflectata de suprafata de absorbție si partial, absorbita de agentul termic.

Odata cu incalzirea placii de absorbtie, tendinta de dispersie a caldurii apare in trei moduri:

incalzeste stratul de izolatie prin conductie;

incalzeste prin convectie aerul continut in panou solar, care la randul sau incalzeste geamul si apoi aerul exterior;

cedeaza caldura prin iradiere asa cum fac toate corpurile supraincalzite, devenind emitator de unde infrarosii [55].

Figura 4.3 Pierderile de caldura si reflexiile solare aparute in sistem [55]

Colectorul plat este o tehnologie mai veche decât colectoarele cu tuburile vidate. Sub unui sau mai multor straturi de sticlă transparentă se află stratul cu substantă absorbantă. Sub acest strat este pompat agentul termic printr-un sistem de capilare unde preia caldura captată de stratul absorbant.

Avantaje :

eficiență în prepararea apei calde menajere, încalzirea spațiului locativ;

preț relativ scăzut;

ușor de instalat, se poate și încadra în acoperiș.

Dezavantaje:

pierdere relativ mare de căldură în condiții de temperaturi joase;

nu are expunere optimă/perpendiculară permanentă;

poate fi afectat de vânt;

necesită spatiu mai mare pentru performanțe comparabile cu colectoare cu tuburi vidate;

randament redus în condiții nefavorabile sau temperaturi joase;

performante mai reduse decât colectorul cu tuburi vidate;

Principiul de încălzire

Heat pipe / Circulația Agent Termic Direct

Heat pipe sau tubul termic este un tub vidat din sticla borosilicata ( sticla care care ca componenti principali siliciu si trioxid de bor, astfel avand un coeficient mic de expansiune termica, ~3 × 10−6 /°C la 20 °C ), tub care contine o tija din cupru purificat, functionarea lui se bazeaza pe principiul vaporizare-condensare.

Punctul de fierbere al apei este la 100°C in conditii normale de presiune. In tubul vidat exista o cantitate de apa purificata, dar datorita presiunii mici, punctul de fierbere este mult redus, ajung la valori de 30°C. Astfel, cand temperatura trece de 30°C, apa se transforma in vapori si se ridica catre zona de schimb termic, carand cantitati mari de caldura. Odata ce a ajuns in aceea zona, apare schimbul de caldura intre vaporii de apa si agentul termic care circula prin colector. Apa se condenseaza si coboara, caldura o cedeaza agentului termic, iar astfel ciclul se repeta. [58]

Figura 4.4 Principiu functionare heat pipe [59]

4.2. Colectoarele solare cu tuburi vidate

Elementul de baza care sta la baza instalatiilor de captare a energiei solare este tubul vidat. Aceasta solutie a fost adoptata datorita randamentului mare al tubului, performantelor deosebite si a pretului scazut de productie. El este compus din două tuburi între care se creeaza vid. Primul tub din sticlă rezistenta, grindina putand fi problematica, permite razelor solare să pătrundă si avand un indice de refractie mic. Tubul interior (colector) este acoperit cu substanța absorbantă, in general, aluminiul este ales.

Mentinerea vidului intre tuburi este asigurata de un stratul de barium care absoarbe activ orice moleculă de gaz CO, H2O, H2, CO2, N2, O2 pentru că avantajul pe care il confera vidul si anume izolatia termica fata de mediul exterior să fie menținuta. Stratul are o culoare argintie, dar bariul, in contact cu aerul, capata o culoare albicioasa. In acest caz se recomanda inlocuirea tubului deoarece nu mai este vidat [60].

Figura 4.5 In stanga , capatul unui tub vidat cu stratul de barium avand o culoare normala, in dreapta, prezenta aerului in tub evidentiat de culoarea stratului [60]

Suprafata din interiorul tubului interior este acoperita cu un strat selectiv avand proprietăți ridicate de absorbție a radiației solare, absorbtia depasind 92% și cu o reflexivitate foarte redusă , sub 8%.

4.2.1. Principiul de funcționare

Agentul termic primeste caldura în mod direct cu ajutorul tubului termic. Vacuum-ul dintre cele două tuburi le izoleaza astfel încât ,la o temperatura a tubului interior de 150°C , tubul exterior este rece.

Colectoarele cu tuburi vidate mai eficiente decât colectoarele solare clasice, plane datorita vidului, putand fi folosite si in climate reci.

Printre mai multe tipuri de colectoare cu tuburi vidate, amintim colectoarele cu tuburi vidate simple, cu placuța de absorbție. Tuburile de acest tip au o tija din cupru cu aripioare în interior care măresc suprafața de absorție. Elementul de absorbție este acoperit cu un strat selectiv, iar țeava din cupru este de fapt un tub termic care transferă caldura absorbită la capatul superior, unde este preluată de agentul termic sau de apa de încălzit. Acest tip de tuburi au inerție termică mai redusă și randament mai bun. Cu toate acestea, costul lor ridicat a limitat uzul colectoarelor cu astfel de tuburi pe scară largă [58].

Figura 4.6 Vedere partiala a unui tub termic [61]

4.2.2. Tubul termic

Tuburile termice se folosesc pentru a efectua un transfer de caldura, de la un corp cu temperatura inalta la un corp cu temperatura mai scazuta. Tubul termic este o tija din cupru sau alt metal conducator de caldura, închisă la ambele capete, care conține un agent care isi poate schimba starea de agregare.

Agentul este un fluid care în conditii de presiune joasa are punctul de fierbere la o temperatura mica, intre 25°C si 30°C, trecând din stare lichidă în stare gazoasă.
Pentru a trece în stare gazoasă, o parte din caldura este absorbita de lichid, numită caldură latentă de vaporizare. Cantitatea de caldura abosrbita la prima schimbare de stare va fi cedată la a doua schimbare, din gaz in lichid, prin condensare. A doua schimbare a starii de agregare are loc in capatul de sus, numit condensator. Astfel, fluidul revine la starea initiala, ciclul este complet, iar procesul este reluat de la capat.

La colectoarele solare cu tuburi vidate condensatorul este introdus într-o teacă din corpul colectorului imersată în agent termic sau apă de încălzit.
Agentul termic sau apa de încalzit reprezintă corpul rece, iar partea tubului vidat cu depunere selectiva care se încalzește de la soare este corpul cald.

Avantaje:

eficiența mare în prepararea apei calde menajere, încălzirea spatiului locativ;

termoizolare eficientă;

datorită faptului că este rotund are expunere optimă/perpendiculară înspre soare permanent;

performanțe mari pe timp nefavorabil sau temperaturi joase;

nu este afectat de vânt;

ușor de instalat și conectat cu instalația existentă;

performanțe mari pe spațiu redus.

Dezavantaje :

durata medie de funcționare relativ redusă, se garantează uzual 15 ani;

garanție limitată cu toate precauțiile de la proiectare, uzual nu se acordă garanție pentru spargerea tuburilor cauzate de grindină sau de smulgerea de către vânt;

sensibilitate la înzăpezire, înzăpezirea este frecventă, și este mai persistentă decât la varianta plană, curațarea este mult mai greoaie și poate să atragă spargerea tuburilor [58].

Figura 4.7 Vedere partiala a unui colector solar cu tuburi vidate [61]

Figura 4.8 Colector solar cu tuburi vidate [62]

4.3. Colectoare solare cu concentratoare

Colectoarele solare cu concentratoare se impart in:

Colectoare de tip jgheab (parabolici);

Colectoare cu receptor central;

Colectoare de tip disc.

Concentratoarele solare cu jgheaburi parabolice sunt alcatuite din reflectoare parabolice liniare care concentreaza lumina solara pe receptoare aflate de-a lungul liniei focale a receptoarelor. Receptorul este un tub aflat direct deasupra mijlocului oglinzilor parabolice si este umplut cu un agent termic. Reflectorul urmareste soarele in timpul zilei prin rotirea in jurul unei axe. Tubul absorbant este constituit dintr-o țeavă de metal acoperită în exterior cu un strat absorbant și prin care curge agentul termic și care este în interiorul unui alt tub, de asta data de sticla de borosilicat rezistent la acțiuni mecanice și chimice fiind acoperit de un strat antireflectorizant. Între cele două tuburi este creat vid pentru a reduce pierderile prin convencție Un agent termic poate atinge o temperatura intre 150°C si 350°C, deoarece curge prin receptor fiind apoi utilizat ca sursa de caldura. Tehnologia sistemelor cu jgheab reprezinta una dintre cele mai bine dezvoltate sisteme termice cu concentrare. Ca marturie, centrarele de generare a energiei din energia solara din Statele Unite ale Americii ( SEGS , California, Acciona’s Nevada Solar One, Boulder City, Nevada) sunt reprezentative pentru aceasta tehnologie.

Reflectoarele Fresnel cu concentrare liniara sunt instalatii care functioneaza folosind aceelasi principiu, dar in loc de oglinzi parabolice sunt folosite multe fasii de oglinzi subtiri, astfel scazand pretul unui colector si se pot amplasa mai multe reflectoare pe acelasi spatiu permitand sa se utilizeze mai mult din lumina solara disponibila [63].

Figura 4.10 Concentratoare solare cu jgheaburi parabolice aflate la Acciona’s Nevada Solar One [64]

Figura 4.11 Principiul oglinzilor Fresnel [65]

Părțile componente a unui colector solar cu jgheaburi :

reflectorul (oglinda cu coeficient de reflexie ridicat 95%);

receptorul format din tub vidat de sticlă în interiorul caruia se află o conductă de cupru cu acoperire selectivă;

sistem de orientare după o singură direcție (axa de rotatie N-S);

Avantajele unui sistem cu concentratoare:

se ating temperaturi foarte inalte;

o eficienta mare , intre 14% si 20%;

se poate acoperi o suprafata rmai mare utilizandu-se oglinzi relativ ieftine;

Dezavantajele unui sistem cu concentratoare:

sisteme trebuie sa urmareasca lumina soarelui pentru a mentine concentrarea ei pe colector;

in caz de lumina difuza, randamentul scade dramatic [63].

Tipuri de montare a colectoarelor solare:

Pe acoperișul clădirilor, figura 4.12, imaginea 1 [66];

Pe fațada clădirilor, figura 4.12, imaginea 2 [67];

Pe sol, figura 4.12, imaginea 3 [68];

Pe câmp sub formă de platforme solare, figura 4.12, imaginea 1 [69].

Figura 4.12 Tipuri de montare a colectoarelor solare

DIMENSIONAREA PISCINEI ȘI A SISTEMULUI DE ÎNCĂLZIRE A APEI

5.1 Alegerea zonei

Piscina pentru care trebuie dimensionat sistemul de încălzire este situată intr-o zona publica din Brasov.

Figura 5.1 Localizarea Brasovului [70]

Atestat pentru prima data in anul 1234 in asa zisul "Catalogus Ninivensis", Brasovul isi intinde existenta istorica pana in vremurile indepartate ale epocii neolitice si a bronzului, gasindu-se urmele unor asezari omenesti in zona dealurilor Melcilor si Sprenghi. Astazi, Brasovul, potrivit recensământului din 2011, o populație de 227.961 locuitori si este unul din principalele centre economice, culturale si sportive ale tarii, fiind totodata si un important centru turistic si un oras al monumentelor istorice .

5.1.1. Așezare geografică și relieful

Municipiul Brașov, cu coordonatele 45°39′N 25°36′E , reședința județului, se află în centrul țării, în Depresiunea Brașovului, situat la o altitudine medie de 625 m, în curbura internă a Carpaților, delimitat în partea de S și SE de masivele Postăvaru care pătrunde printr-un pinten (Tâmpa) în oraș și Piatra Mare, la 161 km de București. Municipiul are o suprafață de 267,32 km².

5.1.2 Clima

În Brașov, vara durează aproximativ 50 de zile, iar iarna durează circa 90 de zile. Clima municipiului Brașov are un specific temperat-continental, caracterizându-se prin nota de tranziție între clima temperată de tip oceanic și cea temperată de tip continental: mai umedă și răcoroasă în zonele de munte, cu precipitații relativ reduse și temperaturi ușor scăzute în depresiune. Temperatura obișnuită de vară se situează în intervalul 22 °C – 27 °C, iar cea de iarnă între -18 °C și -2 °C. Deseori iarna, temperatura în Poiana Brașov ajunge la +15 °C (la soare), în această stațiune putând fi practicate aproape toate sporturile de iarnă. Stratul de zăpadă prielnic pentru schiat durează aproximativ 71 de zile la Brașov. Umiditatea aerului are valori medii anuale de 75% [71].

Tabelul 5.1 Temperatura medie anuala a aerului (°C), la Statia meteorologica Ghimbav, intervalul 2000-2010 [72]

Umiditatea relativa are valori mari care depasesc in general 75% , iar umezeala absoluta are valori cuprinse intre 8.1 si 8.8 g/m³.

Nebulozitatea medie anuala este de 6.1 zecimi, acesta fiind expusa maselor de aer oceanic, de provenienta altantica.

Durata medie anuala de stralucire a soarelui este cuprinsa intre 1930-2200 ore/an, fiind corespunzatoare unui numar de 305-324 zile cu soare, masurat la Statia meteorologica Ghimbav.

Analizând si prelucrând datele din Arhiva Statiei meteorologice Ghimbav, ce reprezinta valorile precipitatiilor pentru perioada 2000-2010, am constatat urmatoarele: în timpul iernii, sunt cele mai reduse cantitati de precipitatii, cu valori medii multianuale de 87,6 mm, reprezentand doar 14,0 % din cantitatea anuala. Aceasta cantitate redusa de precipitatii poate fi explicata prin caracterul dinamicii atmosferei si prin existenta inversiunilor termice. Primavara, ca urmare a patrunderii maselor de aer umed dinspre Oceanul Atlantic, cantitatea de precipitatii creste, ajungând la valori medii multianuale de 141,9 mm, ce reprezinta 22,6 % din cantitatea anuala. Vara cad cele mai mari cantitati de precipitatii, ajungându-se la valori medii multianuale de 261,1 mm (în zona joasa a depresiunii cantitatile de precipitatii au valori de sub 250 mm, în zona piemontana depasesc 270 mm, iar în zonele montane ajung la 350-430 mm). În lunile de vara cade 41,6 % din cantitatea anuala de precipitatii, influentând debitul râurilor care strabat depresiunea si care în aceste luni ating cotele maxime. Toamna, ca urmare a reducerii convectiei termice, a cresterii frecventei inversiunilor termice si intensificarii activitatii anticiclonice continentale, cantitatea de precipitatii scade, ajungând la valori medii multianuale de 136,7 mm, reprezentând 21,8 % din cantitatea anuala de precipitatii [72].

Figura 5.2 Precipitatii anuale (mm), la Statia meteorologica Ghimbav, in perioada 2000-2010 [72]

Radiatia solara are urmatoarele valori:

Tabel 5.2 Media lunara a radiatiei intre anii 1998-2011 [73]

Figura 5.3 Inaltimea orizontala a Soarelui, masurata in grade, in timpul solstițiului de vara (linie rosie) si a celui de iarna (linie albastra) si linia orizontului (dunga gri) [73]

5.2 Dimensionarea sistemului de încălzire a apei din piscină

În general, sistemele solar-termice se dovedesc foarte utile pentru încălzirea piscinelor deoarece momentul de utilizare maximă a piscinelor descoperite este perioada în care energia primită pe suprafața terestră este mai mare. În plus, aceasta diminuează pierderile și crește absorbția de căldură.

În vederea dimensionării sistemului de încălzire a apei din piscină, se alege o piscină semi-olimplica cu dimensiunile (lungime x latime x inaltime) de 25×12.5x2m ce este utilizată în perioada 15 iunie – 15 septembrie a anului. Piscina este exterioară și nu este acoperită. Acesta este folosită de 20 persoane.

Dimensionarea se face comparativ cu softul Polysun si manual, prin calcule.

Sarcina termică necesară pentru încălzirea apei din piscine, necesită un calcul complex, care să tina seama de temperatura apei din piscină úi de o serie de pierderi de căldură, între care o deosebita deosebită este reprezentată de următoarele pierderi: evaporarea apei, transferul termic prin convecție de la suprafața apei la mediul ambiant, stropirea cu apă în afara piscinei, reîmprospătarea apei, etc.

Cu toate acestea, producătorii captatorilor solari, dimensionează sistemul solar de încălzire a apei din piscine, pe baza unui algoritm de calcul aproximativ, mult simplificat, considerând doar, că toate tipurile de pierderi de căldură care se manifestă în condiți reale în piscine, duc la răcirea apei, iar această răcire trebuie compensată de sistemul de încălzire.

În acest paragraf, în vederea determinării sarcinii termice unitare a colectorilor solari pentru încălzirea piscinelor, se va considera algoritmul simplificat de dimensionare, pentru a se putea valorifica recomandările producătorilor privind utilizarea diferitelor tipuri de colectori solari.

Sarcina termică necesară pentru încălzirea apei din piscine Q p , se poate calcula cu relatia:

Unde:

m [kg] este cantitatea de apă din piscină;

cw [kJ/kgK] este căldura specifică a apei, mărime care variază cu temperatura, dar pentru care se poate considera valoarea cw=4,186kJ/kgK;

∆t [°C] este variatia temperaturii apei din piscină în 24h, datorată diverselor pierderi de căldură;

τ[h] este durata perioadei de încălzire a apei calde considerate, având o importantă deosebită pentru valoarea sarcinii termice.

Cantitatea de apă din piscine se determină cu relatia:

Unde:

Sp [m2] este suprafata piscinei;

H [m] este adancimea medie a apei din piscina;

ρ [kg/m3] este densitata apei, marime care depinde de temperatura, dar pentru care se poate considera valoarea ρ=1000 kg/m3.

In continuare, calculele se vor efectua pentru suprafata unitara a piscinei, deci se va considera Sp= 1 m2.

m=11,31000=1300 kg

Valoarea sarcinii termice necesare pentru incalzirea suprafetei unitare a piscinei, considerand ca datorita pierderilor de caldura, temperatura apei scade intr-o zi cu 1°C si ca durata perioadei de incalzire a apei este de 8 ore, rezulta:

In tabelul 4, au fost prezentate valori orientative ale sarcinilor termice, necesare pentru incalzirea apei din piscine, raportate la unitatea de suprafata a piscinei, pentru diferite conditii de lucru, considerand adancimea medie a apei, de 1,3m.

Tabelul 5.4 Valori orientative ale sarcinilor termice pentru incalzirea apei din piscine, considerand adancimea medie a apei de 1,3m [W/m2 piscina]

Pentru incalzirea apei din piscine, firmele producatoare recomanda utilizarea unor suprafete diferite de colectori solari, in functie de tipul piscinelor, de tipul colectoarelor si de perioada prevazuta pentru functionarea sistemului de incalzire cu energie solara, asa cum se observa in tabelul 5.5.

Tabelul 5.5 Suprafata necesara de colectori solari pentru incalzirea apei din piscine [m2/m2/piscina]

In cazul piscinelor inchise s-a considerat ca temperatura apei este de 24°C si gradul de racire a apei datorita pierderilor de caldura este de 0.5°C/24h, iar in cazul piscinelor in aer liber, se considera ca temperatura apei este de 22°C si gradul de racire a apei datorita pierderilor de caldura este de 1°C/24h.

Se observa ca pentru incalzirea piscinei pe timp de vara, este recomandata aceeasi suprafata de colectori solari, indiferent de tipul acestora. Acest fapt este posibil, deoarece in conditiile in care intensitatea radiatiei luminoase este mare, performantele tuturor tipurilor de colectori solari sunt relativ apropiate.

Avand in vedere faptul ca suprafetele colectorilor solari recomandate in tabelul 5.5, au ca scop tocmai asigurarea sarcinii termice calculate anterior, valoarea sarcinii termice unitare a colectorilor solari Qp1, in regim de incalzire a apei din piscine, este: