Transmiterea Caldurii

1. GENERALITĂȚI

1.1 Transmiterea căldurii

Transmisia termică (sau transferul termic) reprezintă procesul de schimb de energie termică între două corpuri (sau două zone ale unui corp) sau între doua suprafețe caracterizate prin temperaturi diferite (având : un corp – o suprafață – o temperatură mai ridicată iar celălalt corp – cealaltă suprafață – o temperatură mai scazută).

Schimbul de energie termică între corpuri (sau suprafețe) are loc spontan, de la corpuri(suprafețe) cu temperatură mai ridicată la cele cu temperatură mai scazută (principiul al doilea al termodinamicii) . Cu cât diferența dintre temperaturile acestora este mai mare, cu atât transferul termic este mai intens. În momentul în care se ajunge la o relație de egalitate între cantitatea de căldură produsă și cantitatea de căldură cedată ( disipată ) în exterior se stabilește regimul permanent (sau staționar).

Procesul de transfer termic este un proces complex, compus din trei ‘mecanisme’ esențiale :

• conducție termica

• radiație termica

• convecție termica

Transferul termic prin conducție se realizează atunci când transmiterea caldurii se face prin masa unui corp (solid, lichid sau gazos), având temperaturi diferite în puncte diferite

Transferul termic prin radiație are loc numai în mediile transparente pentru undele electromagnetice cu lungimea de unda între 0.4 și 340 μm. Orice corp care are temperatură diferită de zero absolut poate fi o sursă de energie radiantă. Aceste radiații transportă cu ele o anumită cantitate de energie luată de la corpul care le-a emis, realizând în acest mod răcirea corpului. Undele electromagnetice traversează mediile transparente fără însă a le încălzi.

Transferul termic prin convecție se bazează pe schimbul de căldură între suprafața unui corp și un mediu fluid (lichid sau gazos) cu care se află în contact. Această formă de transmisie a căldurii nu poate avea loc în vid. Se disting doua cazuri : convecția liberă (naturală) și cea artificială (forțată).

Transferul termic combinat, prin conducție, radiație și convecție constituie procesul

general real al schimbului de căldură dintre un solid și un fluid.

Un mod caracteristic de transmisie termică este cel dintre un corp și mediul ambiant, considerat de cele mai multe ori ‘termostat’ (nu își modifica temperatură). În acest caz transferul de caldură se asigură pe calea radiației electromagnetice și pe calea convecției, prin spălarea suprafeței corpului cu aerul în mișcare.

Între corpurile solide aflate în contact poate avea loc transmisia căldurii prin convecție (de exemplu, între un conductor și un izolator).

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.

1.1.1 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 transferului 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:

cond = λ∙A∙(dT/dx ) (1.1)

unde :

cond – 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 – perete plan de grosimea L) este:

cond = λ∙A∙ (T1-T2 )/L (1.2)

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] (1.3)

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 = / A [W/m2] (1.4)

1.1.2 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 (conv) 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] (1.5)

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 probleme 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 complicată 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. 1) 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.1.1 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 solidă și crește la viteza volumică a fluidului u pentru y>δu. Din cauza diferenței de temperatură dintre 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 egale 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.1.1) 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) ( 1.6)

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.

[W] (1.7)

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.

(1.8)

unde:

– emisivitatea redusă a sistemului rezistor-incintă;

, – emisivitatea totală a incintei, respectiv a rezistorului.

Pentru diferite geometrii uzuale, în literatură se dau relațiile [7,8] 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 căldură 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) (1.9)

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) (1.10)

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.

1.1.3 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 (1.11)

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. 2) 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

Fig.1. 2 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] (1.12)

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.

1.1.4 Transmisia termică combinată

În realitate transferul termic are loc prin radiație, convecție și conducție. Astfel putem

exprima matematic densitatea fluxului termic :

q= qr+qc-)+-) (1.13)

q=(-)=-) (1.14)

α [W/m2 K] – este transmisivitatea termica rezultanta.

Dacă convecția și radiația fac referire la aceeași suprafață (S) prin care se cedează

căldura atunci cantitatea totală de căldura disipată este :

Q S c a tt (1.15)

2. SISTEME DE ÎNCĂLZIRE

2.1 Încălzirea

În fizică încălzirea este procesul termodinamic de ridicare a temperaturii. În vorbirea curentă, prin încălzire se înțelege asigurarea unui nivel termic confortabil în clădiri, locuințe, spații de producție, spații comerciale, mijloace de transport etc. Legată strâns de activitatea de încălzire este asigurarea apei calde de consum (= apă caldă menajeră, apă caldă sanitară), ambele utilități fiind din punct de vedere tehnic realizate de utilaje asemănătoare.

Încălzirea poate fi locală sau centrală. În cazul încălzirii locale, fiecare încăpere are propriul său sistem de încălzire. Prin excepție, se consideră încălzire locală și încălzirea simultană a două camere de la o sobă  montată în peretele despărțitor

Sursele de căldură pentru încălzirea clădirilor sunt:

– arderea combustibililor, solizi, lichizi sau gazoși;

– agentul termic, de obicei apă fierbinte, furnizat de sistemele de termoficare;

– curentul electric în cazul încălzirii cu radiatoare electrice;

– energia solară captată de panouri solare termice;

– mediul ambiant (solul) în cazul încălzirii cu pompe de căldură

Combustibilii folosiți la încălzire sunt (în paranteză puterea calorifică inferioară aproximativă, diferită la fiecare sortiment):

combustibili solizi: lemne (9 – 16 MJ/kg) peleți (19 MJ/kg), coceni (17 MJ/kg),  lignit (6 – 15 MJ/kg), huilă (16 – 29 MJ/kg), brichete (18 MJ/kg) și chiar turbă (12 – 16 MJ/kg);

combustibili lichizi: gaz petrolier lichefiat (GPL) (45 MJ/kg), tip P (petrol lampant) (43 MJ/kg), tip M (motorină) (42 MJ/kg), combustibil lichid ușor (40 MJ/kg)

combustibili gazoși: gaz natural (35 – 42 MJ/m3N)

2.1.1 Încălzire locală

Incălzirea locală reprezintă una din cele mai simple instalatii de incălzire existente,

deoarece cuprinde atât sursa de energie termică cât si suprafața de încălzire.

Acest tip de incălzire se poate utiliza in:

– Clădiri mici cu maximul 3-4 niveluri

– Complexe de clădiri mici dispersate pe suprafete mari (mediu rural)

– Clădiri de locuit individuale sau cu caracter sezonier;

– Monumente istorice, locașuri de cult.

Avantajele încălzirii locale:

Cost de investiții redus:

– Posibilitatea de încălzire doar a spațiilor utilizate;

– Folosirea tuturor categoriilor de combustibili gazoși, lichizi și solizi;

– Instalarea rapidă cu mijloace locale;[7]

– Exploatare ieftină si ușoară.

Dezavantajele încălzirii locale:

– Suprafețele încălzitoare au dimensiuni mari și ocupa mult spațiu în încăperea în care sunt amplasate;

-Randamentul termic este scăzut în raport cu alte sisteme de încălzire;

-Necesitatea prevederii de cosuri pentru fiecare sobă sau grup de sobe;

-Inconveniente de ordin igienic și pericol de incendiu în manipularea combustibilului. Incălzirea locală o putem realiza cu ajutorul:

Instalații de încălzire existente, deoarece cuprinde atât sursa de energie termică cât si suprafața de încălzire. Sobă metalică pentru combustibili solizi:

Fig. 2.1 Sobă metalică pentru combustibili solizi

Fig. 2.2 Semineu – Sobă cu focar deschis

» Șemineurile sunt sobe cu foc deschis, cu vatră, recordate la coșuri de fum în legatură directă cu exteriorul

» Acest mod de încălzire este folosit ca un foc de agrement.

Transmisia căldurii se realizeaza în cea mai mare parte prin radiație. Randamentul este destul de scăzut 20-30%.

Fig.2.3 Sobă de teracotă fixă

2.1.2 Încălzire centrală

Prin încălzire centrală se înțelege un sistem de încălzire simultană, de la o singură sursă, a mai multor încăperi dintr-una sau mai multe clădiri, folosind în acest scop un agent termic (apă fierbinte, abur sauaer).

Sursa de căldură este de obicei un cazan de încălzire, dar se poate folosi în acest scop și energia geotermală sau energia solară. Dacă sursa de încălzire este agentul termic livrat de o termocentrală, se vorbește despre termoficare.

În cazul folosirii apei fierbinți ca agent termic, încălzirea de poate realiza prin:

radiatoare montate pe pereții încăperii;

țevi montate sub podea (încălzirea în pardoseală).

Sistem roman de încălzire centrală cu aer (hipocaust) la Vieux-la-Romaine,Franța.

Încălzirea locuinței

Incălzire clasică si cea prin pardoseala

       Încălzirea în calorifere este o situație nefavorabilă, temperatura de la nivelul capului fiind mult mai mare decat temperatura la care sunt situate picioarele. Datorita faptului ca încălzirea se face punctual, se creeaza curenti de aer în încapere, care antreneză în mișcare praful, iar caldura nu este uniform repartizată niciodată pe întreaga suprafața a camerei.[11]

  Încălzirea în pardoseală se apropie cel mai bine de situația ideală, temperatura la care este capul este aproximativ egala cu temperatura la care sunt situate picioarele.

Nu se creează curenți de aer care să anteneze praful în încăpere. Căldura este uniform repartizată pe întreaga suprafața a camerei, iar cel mai mare avantaj este direcția ascensională a căldurii.

De aceea sistemele de încălzire  prin pardoseala asigură cel mai confortabil mod de încălzire, în comparație cu soluția clasică de încalzire cu radiatoare, care aduce căldura la nivelul capului. Căldura emanată de sistemele de încalzire cu radiatoare va migra către tavan, de unde va coborî sub forma de aer rece la nivelul picioarelor, creând o stare de disconfort.[2]

Este dovedit faptul ca temperatura ambiantă în cazul încălzirii clasice este cu câteva grade mai scazută decat în cazul încălzirii prin pardoseală. Datorita suprafeței radiante mari, încălzirea prin pardoseala oferă un randament mai bun.

Instalațiile de încălzire în pardoseală reprezintă soluția ideală pentru încăperi cu 'tavan

înalt', biserici, hale, etc.

Acest tip de încălzire utilizează conducte încălzitoare, care sunt încastrate în pardoseală, astfel se câștiga spațiul ocupat de clasicele radiatoare. Temperatura se poate regla în fiecare încăpere prin intermediul termostatului aferent încăperii.

Soluții de încălzire

Rolul instalațiilor de încălzire nu se rezumă numai la proiectarea și realizarea de soluții moderne și eficiente, ci și la modul în care acestea sunt exploatate, respectiv la modul în care se face gestiunea energiei consumate. De aceea, pe lângă soluțiile adoptate, se cere ca ele să fie urmărite continuu atât în ceea ce privește condițiile pe care le realizează la consumatori, cât și modul în care se realizează aceste condiții- cu ce consumuri de energie. În felul acesta, instalația de încălzire adoptată unei clădiri date va putea să-și îndeplineasca rolul în totalitate, adică să realizeze condiții de confort maxim, cu un consum redus de energie.

Față de cele menționate se poate concluziona că rolul unei instalații de încălzire este de a realiza:

Menținerea în încăperi a unei temperaturi cât mai uniforme, situată în jurul valorii cerute, atât în plan orizontal, cât și în plan vertical

În încăperi, o temperatură a suprafețelor elementelor de construcții, astfel încât să evite pe cât posibil fenomenul de radiație rece (schimb activ de căldură între om și aceste suprafețe) precum și fenomenul de condensare a vaporilor de apa pe suprafața acestor elemente

O reglare a temperaturii interioare în funcție de necesități, ținând totodată seama de inerția termică a elementelor de construcții

O încălzire fără poluarea aerului din încaperi (degajări de praf, noxe, zgomote etc) precum și fără poluarea mediului înconjurător

O încălzire fără curenți perturbatori ai aerului din încăperi

Soluții eficiente și economice atât din punct de vedere al instalațiilor, cât și al exploatării.

Centrale pe gaz

Centrale murale: prepară agent termic apă caldă, utilizat pentru încălzire spații.

Utilizarea centralelor în condensație induce un consum redus de combustibil, randament mai mare prin recuperarea căldurii rezultate din condensarea vaporilor și a căldurii latente din gazele arse. Tehnologia centralelor în condensație s-a transformat în cea mai eficientă soluție pentru încălzirea spațiilor închise, eficientă energetică a acestora atingând valori de aproape 100%.

Centralele termice cu boiler încorporat au avantajul livrării apei calde la temperatura dorită într-un timp scurt, temperatura constantă a apei livrate chiar în condițiile unui debit variabil, funcționare la debite și presiuni mici, posibilitatea unei preluări frecvente și de scurtă durată, fără pornirea imediată a arzatorului.

Centralele cu tiraj forțat sunt optime pentru apartamente de bloc, având în dotare kit tubular dublu, ce asigură alimentarea cu aer, dar și eliminarea gazelor arse. Aerul necesar arderii este adus din exteriorul clădirii, iar montarea unei astfel de centrale este condiționată de mărimea încăperii (centralele de acest tip pot fi montate în încăperi mici, închise).

Fig.2.5 Centrală termică murală în condensație Buderus Logamax Plus GB012K-25 [8]

Centrală pe peleți

Încălzirea pe peleți este o soluție de încălzire ecologică. Chiar de două ori ecologică. Nu numai ca este vorba despre biomasă (lemn) deci o materie combustibilă regenerabilă, dar peleți și încălzirea pe peleți folosesc tocatură lemnoasă, deșeuri vegetale, agricole, forestiere, silvice, rumeguș, scoarță, resturi de copaci, plante prelucrate și cultivate special în acest scop. Ecologic curat!

În plus, prin încălzirea pe peleți puterea calorică a materialelor combustibile este sporită, fiind mai mare decât a lemnului obișnuit. Și nu este tot: peleți ard cu foarte puține emisii de fum și noxe, costurile de transport sunt mici, există o logistică îmbunătățită de stocare și utilizare automatizată. Cenușa rezultată reprezintă sub 1,5% din masa care arde este un excelent îngrășământ natural.

Încălzirea pe peleți este o soluție foarte buna pentru zonele fără gaze, pot să înlocuiască perfect lemnele, sunt ideali în centralele de bloc, de cartier sau pentru instalații industriale.

Încălzirea pe peleți pentru o casă izolată bine cu suprafata de circa 180-200 de metri pătrați poate să fie complet asigurată cu o centrală termică pe principiul celor pentru lemne, adaptată pentru peleți. Se asigură încălzire și apă caldă, din octombrie până în mai, cu circa 4,5-5 tone de peleți. O tona de peleți costa în jur de 150-160 de euro.

Fig.2.6. Centrala pe paleti

Centrală termică pe lemne

Utilă celor care nu au acces la gaze, o buna soluție pentru încălzire ca alternativă modernă, practică și eficientă la soba cu lemne este centrala termică pe lemne. Centrala termică pe lemne folosește combustibil solid cu ardere clasică. Se pot folosi lemne, carbune, cox sau peleți.

Există mai multe tipuri de centrale termice pe lemne. Cele mai practice sunt cele care funcționeaza pe principiul gazeificării, care folosește așa numitul “gaz de lemn”, care în combinație cu aerul formeaza așa numita “flacără răsturnată”.

Recuperarea căldurii are loc în schimbătorul primar de oțel unde se află agentul termic și tuburile de evacuare a gazelor arse. Marele avantaj este că prin această tehnologie pe care o impune centrala termică pe lemne este posibilă arderea completă a lemnului sau a altor combustibili. Aceasta duce la reducerea cheltuielilor și foarte puțină cenușa.

Pentru că nu totul este roz, centrala termică pe lemne are și câteva dezavantaje. O bună funcționare și un bun randament impune lemne de bună calitate și foarte uscate cu umiditate de sub 15%, de preferință achizitionate cu un an sau doi înainte, ceea ce poate sa fie o problemă, care se poate depăși folosind peleți sau carbune.

Investiția este destul de mare din cauza accesoriilor care însoțesc cazanul. Centrala termică pe lemne nu poate funcționa în absența curentului electric, astfel că sunt necesare sisteme de siguranță suplimentare pentru a preveni probleme serioase.

În plus, odată aprins combustibilul solid în focarul centralei, nu se poate stinge, iar acesta produce o cantitate de căldură care trebuie consumată. Este o a doua mare complicație pe care o aduc centralele termice pe lemne.

Fig.2.7 Centrală pe lemne

Panouri radiante infraroșu

Cand vorbim despre panouri radiante infraroșu , vorbim despre panouri de încălzire a locuinței ce funcționează pe bază de radiații infraroșii (benefice pentru organism). Aceste tablouri radiante cu infraroșu transformă energia electrică în două componente: căldura radiantă și căldura convectivă. Procentul de transformare este de 93-95% căldura radiantă, diferența reprezentând căldura convectivă.

Ca și principiu de funcționare, încălzirea cu panouri radiante cu infraroșu funcționeaza pe același principiu prin care Soarele încălzește pământul.

Fig. 2.8 Panouri radiante

Încălzirea cu panouri radiante cu infraroșu, asemeni încălzirii solare, acționează cu prioritate asupra obiectelor din raza de acțiune, încălzirea aerului realizându-se indirect de aceste obiecte. Prin acest principiu pierderile de căldură se reduc la minim, iar diferența de temperatura dintre podea și tavan este foarte mică, comparativ cu alte sisteme de încălzire.

Panouri Radiante Infraroșu – Avantaje

Pe lângă avantajele privitoare la consum și randament, încălzirea electrică cu panouri radiante infraroșu este și foarte benefică pentru organism, radiațiile infraroșii emise avand efect, printre altele, în stimularea și eficientizarea activității fiziologice la nivel celular.

La nivel internațional s-au facut diferite studii cu privire la efectele radiațiilor infraroșii asupra organismului uman. Mai jos aveți câteva exemple:

În ultimii 30 de ani, cercetători și doctori chinezi și japonezi au realizat cercetări extinse asupra tratamentelor cu radiații infraroșii de undă lungă și au descoperit date interesante. În Japonia, există o așa-numita “societatea-infraroșie” , formată din doctori și fizioterapeuți, dedicați continuării studiilor despre razele infraroșii. Descoperirile lor sprijină ideea efectelor benefice pentru sănătate ale terapiei cu astfel de raze. Au fost vândute peste 700.000 de sisteme termale pe bază de raze infraroșii de undă lungă în Orient. Alte 30 de milioane de persoane au primit tratament cu radiații infraroșii de undă lungă în Orient, Europa si Australia prin aparate cu lămpi care emit aceeași lungime de undă, de la 2 până la 25 microni.

În Germania, doctori organizați într-o formă independentă, utilizează terapia cu raze infraroșii de undă lungă de peste 80 de ani.

În Suedia, s-a facut un studiu de caz pe un batran de 70 de ani care avea artrită reumatoidă secundară și febră reumatoidă acută. Atinsese limita de toxicitate cu injecții,însă ESR (rata de sedimentare a eritrocitelor) era încă 125. Dupa ce a utilizat un sistem de încălzire cu radiații infraroșii de undă lungă,în mai putin de 5 luni, ESR a scăzut la 11.

Alte avantaje ale încălzirii electrice cu panouri radiante infraroșu : ușor de montat, reglează umiditatea, elimină igrasia, nu necesit întreținere specială, nu necesită avize și recomandări.

Panouri Radiante Infraroșu – Montaj

Încălzirea cu panouri radiante cu infraroșu este renumită pentru ușurința instalarii, în cazul căreia, spre deosebire de alte sisteme de încălzire, se economisesc bani și timp.

În plus, scăpați de deranjul creat prin instalarea altor sisteme de încălzire, ca de exemplu instalarea centralei pe gaz sau electrice, unde se crează foarte mult deranj și multă mizerie.

Panouri Radiante Infraroșu – Recomandări

Panouri Radiante Sunjoy – sunt printre cele mai calitative panouri radiante cu infraroșu de pe piața romanească.

Aceste panouri radiante cu infraroșu , pe lânga funcția de încalzire, produc efecte terapeutice exceptionale, datorită cristalului numit TURMALINĂ, ce se află aplicat într-un strat subțire peste elementul încălzitor. Turmalina genereaza IONI NEGATIVI, cu importante funcții terapeutice. Totodată, Panourile Radiante Sunjoy produc EFECTUL NANOSILVER, eliminând bacteriile din încăpere.

2.2 Încălzirea in pardoseală

2.2.1 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 (fig2.9) 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 pereților confortul termic al încăperii era unul ridicat.

Fig.2.9. Sistem de încălzire prin pardoseală la romani [14]

În configurația actuală, instalațiile de încălzire prin pardoseală apar la începutul secolului trecut. Profesorul englez Baker[6]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 reconstrucție din Europa. Tehnica din acea vreme consta în înglobarea de tevi din oțel de 1/2" sau 3/4" fără straturi de izolație termică sub ele. Cu o astfel de tehnologie s-au executat în Europa, numai în perioada 1945-1950, instalațiile de încălzire din peste 100.000 de locuințe[15]. Această perioadă de pionierat a pus în evidență nu numai avantajele sistemului, dar și o seamă de neajunsuri determinate de lipsa unei cercetări aprofundate a efectelor asupra omului.

Instalațiile realizate în perioada menționată mai sus au provocat oamenilor numeroase tulburări fiziologice precum : probleme de circulație a sângelui, dureri de cap, transpirație excesivă. Cercetările efectuate ulterior au pus în evidentă două tipuri de probleme care nu erau stăpânite corect :

valoarea temperaturii superficiale a pardoselii ;

inerția termică a sistemului.

S-a demonstrat că[10], pentru a nu se crea senzații de disconfort, temperatura pardoselii nu trebuie să depășească 28-29 grade C. Ori, în cazul instalațiilor în cauză, se constatau în mod frecvent valori de 40 grade C sau mai mult. Pe de altă parte, integrarea țevilor de oțel întru-un masiv de beton, care acumula o cantitate importantă de căldură și avea o inerție termică mare, conducea la accentuarea și prelungirea în timp a supratemperaturii pardoselii. Soluția s-a dovedit a fi intercalarea între serpentinele de țeavă și planșeul de beton a unui strat puternic izolator termic. Prin urmare, principalele măsuri de evitare a disconfortului au fost :

menținerea 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 :

instalații interioare de încălzire : locuințe, construcții publice (școli, spitale, birouri, biserici, instituții culturale, etc.), construcții comerciale (magazine, supermarket-uri, restaurante), hoteluri, construcții industriale de producție sși depozitare ;

instalații exterioare pentru topirea gheții 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 convenționale, 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 și poate cea mai eficientă ca și costuri. Presupune încălzirea inițială 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 rezistențe electrice sub pardoseală. Există și varianta unor covorașe din plastic care să înglobeze aceste rezistențe. Este o metodă foarte comodă și silentioasă, dar din cauza prețului mare la energia electrică este totuși indicat să se studieze cu atenție alternativele existente. Se pretează însă la extensii aduse unei locuințe, 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 diferențiate zi/noapte, caz în care pardoseala trebuie să poată acumula suficientă energie termică în timpul nopții (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 funcționeze pe durata zilei.

2.2.2 Confortul termic al încălzirii prin pardoseală.

Avantaje

De obicei, noțiunea de confort termic este asociată cu temperatura interioară a încăperii în care se găsesc oamenii. De fapt, senzația de confort termic trebuie înțeleasă ca un echilibru termic al corpului uman sub influența 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 convenționale (sobe, șeminee, radiatoare, convectoare) dezideratul de mai sus este greu, dacă nu imposibil, de atins. În graficele de mai jos (fig.2.10) sunt trasate curbe de variație pe verticală a temperaturii în cazul ideal și al încălzirii prin pardoseală sau cu radiatoare.

Fig.2.10 Curbe de variație ale temperaturii la diverse sisteme de încălzire

Se poate constata că încălzirea prin pardoseală este cea care asigură distribuția temperaturilor foarte apropiată de situația ideală (fig.2.11), deci este cea care conferă cel mai înalt grad de confort termic, adică “picioare calde și cap limpede”.

Fig.2.11 Distribuția căldurii la principalele sisteme de încălzire

Aceleași considerente ce țin 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 radiație, prin convecție si prin conducție – spre deosebire de sistemele traditionale de încălzire, de exemplu cele cu radiatoare (calorifere), care puteau emite căldură doar prin primele două forme menționate 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 are în raport cu sistemele tradiționale 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.2.11), se poate satisface într-o măsură avansată doar cu sisteme de încălzire radiantă prin pardoseală. Instalațiile 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 și datorită uniformității temperaturii pe verticală. La sistemele de încălzire cu radiatoare aerul cald se ridică spre tavan unde se răcește, iar apoi coboară formând curenți circulari de aer care oferă ulterior o încălzire neuniformă a spațiului, rezultând astfel pierderi mari de căldură în zona superioară a încăperii (fig.2.11). La sistemele de încălzire electrică prin pardoseală căldura se distribuie uniform, de jos în sus iar termostatele inteligente echilibrează temperatura ambientală precum și pe cea a pardoselii, permitând astfel reducerea temperaturii medii cu 1-2 grade Celsius, fără a influența însă nivelul de confort termic.

Fig.2.12 Explicativă la distribuția căldurii si a pierderilor de căldură

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, inerția termică nu pune probleme, dar trebuie avute în vedere :

→ buna corelare a funcționării sistemului de încălzire cu temperatura exterioară (automatizare)

→ întreruperile de funcționare, trecerile pe regim redus sau repunerile în funcțiune 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 rigiditate 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 injumățăti).

2.2.3 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.2.13). 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.2.13 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 posibilități de dispunere a cablurilor încălzitoare – fig.2.14). Pentru dispunerea lor suprafața de placat se poate împărți pe zone diferite, aceeași suprafață 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, suprafața 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. 2.14 Moduri de realizare a serpentinelor încălzit

Dupa uscarea șapelor de beton/ciment urmează fixarea pardoselii propriu-zise.

Teoretic, orice tip de pardoseală poate fi folosită în combinație cu un sistem radiant de încalzire. Trebuie însă ținut cont că fiecărei pardoseli îi corespunde un coeficient de rezistență termică diferit, ceea ce influențează randamentul instalației.

•placile 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. Daca 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 suprafeței suport.

•lemnul este un material care prezintă contracții și dilatări mari în funcție de temperatura și umezeala, de aceea trebuie acordată atenția cuvenita când se alege o astfel de pardoseala, cu atât mai mult când este combinata cu un sistem radiant de încalzire.

•mocheta este cel mai puțin recomandată a fi folosită, datorită rezistenței opuse la transferul căldurii. Dacă totuși se optează pentru această soluție este nevoie ca temperatura la nivelul cablului electric încălzitor sa fie ridicată cu 1-2° C.

În funcție de nevoile specifice ale fiecarei 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. Aceasta diferență constructivă nu influențează calitatea sistemului de încălzire și nici efectul termic obținut. Pentru ambele tipuri de cablaj, există două variante constructive : cu mantă metalică de protecție și fără mantă metalică de protecție. Cablurile cu mantă metalică, cu unul sau doi conductori, pot fi utilizate în zonele interioare și exterioare ude sau care au un grad ridicat de umezeala (băi, bucătării, spălătorii, alei exterioare, terase neacoperite, intrări în garaje etc.).

Puterile cablurilor variază, în general, între 7 și 40 W/m. În funcție de dimensiunea suprafeței ce urmează a fi încălzită și de nivelul de izolație 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. Diferența 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, legăturile de alimentare se fac prin cele două

capete ale cablului, iar pentru cablul cu doi conductori, legăturile de alimentare se fac printr-un

singur capat al cablului. Cablurile se alimenteaza de la tensiunea de 230 V (curent alternativ), dar există posibilitatea, în cazul unor hale industriale în care se folsesc prizele trifazate, de alimentare și la tensiunea de 380 V (curent alternativ).

Fig. 2.15a,b,c Tipuri constructive de cabluri încălzitoare

2.3 Echipamente 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.2.16): 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.2.16 Constructia unui boiler

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) (16)

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)

3. AMPLASAMENT IMOBIL

Tema de proiectare implică realizarea unui sistem de încălzire electrică prin pardoseală pentru un apartament cu 2 camere amplasat la parterul unui bloc de locuințe, cu parter și 4 etaje, având următoarele caracteristici tehnice:

Apartamentul este situat în Alba-Iulia cu orientarea ferestrelor spre nord și liber expus la vânt;

Clădirea nu are subsol și are o fundație cu grosimea de 60 cm, având adâncimea pânzei de apă freatică de 600 cm.

Pereții exteriori ai clădirii sunt construiți din cărămidă plină și tencuiți;

Ferestrele sunt din termopan

Calculul necesarului de căldură se va face:

1-pentru apartament neizolat termic

2-pentru apartament izolat termic

3.1 Schița apartament

N

Fig .3.1 schita apartament

Fig.3.2 Bloc locuințe

https://www.google.ro/maps/@46.077669,23.563027,3a,55.4y,178.92h,111.31t/data=!3m6!1e1!3m4!1s7x8khBHU6VTbveZz7szcSg!2e0!7i13312!8i6656

3.2 ELEMENTE DE CONSTRUCȚIE A APARTAMENTULUI

Tabel 3.1 Perete lateral exterior

Planșeele sunt din beton armat cu grosimea de 10 cm;

Tabel 3.2 Planșeu curent

Planșee pentru etaj intermediar

Tabel 3.3Planșeu curent

Tabel 3.4 Perete lateral exterior izolat

Izolații

Izolațiile se realizează pentru :

a mări durabilitatea construcțiilor

a asigura condiții optime de viață și muncă

În construcții se realizează:

Hidroizolații

Termoizolații

Izolații acustice

Protecții anticorosive

HIDROIZOLAȚII

Materiale bituminoase:

TERMOIZOLAȚII

Varianta de izolare a pereților exterior:

Perete exterior cu termoizolație din polistiren expandat

Ferestrele sunt din termopan

secțiune geam termopan Geam termopan

Tabel 3.1 – Coeficientul global de transfer termic k, [W/m2K] pentru vitraj dublu sau triplu umplut cu aer sau alt gaz (extras din tab.9.4.3 din Mc001/1-2006) [3]

Izolații acustice

Vată minerală

Împărțirea pe zone climatice

Temperaturi exterioare funcție de zona climatică

Tabelul 3. 5 Rezistența termică a benzii de contur Rb c [m²•K/W]

4. MEMORIU JUSTIFICATIV DE CALCUL

4.1 Calculul necesarului de căldură al încăperilor fără izolație termică

Necesarul de căldură al unei încăperi se definește, conform STAS 1907/1-80,

prin urmatoarea relație :

[4.1 ]

W] – pierderea de căldură prin transmisie în regim termic staționar, corespunzător diferenței de temperatură dintre interiorul și exteriorul elementelor de construcție care limitează încăperea:

[W] [4.2]

unde:

[-] – coeficientul de masivitate termică a elementului de construcție;

= 1 pentru elemente de construcție interioare;

= (<1 ÷ >7) pentru elemente de construcție exterioare funcție de coeficientul mediu de inerție termică a încăperii, din nomograme, funcție de caracteristicile λ, c, ɤ;

S [ este suprafața fiecărui element de construcție, funcție de dimensiunile interioare. Se scad golurile (uși, ferestre etc);

[ 4.3]

k – coeficientul global de transmisie a căldurii pentru elementul de construcție;

[℃] – temperatura interioară de calcul (temperatura convențională a aerului interior) (pentru încăperi de locuit, în STAS: + 18℃ );

[℃] – temperatura spațiilor vecine încăperii considerate (fie temperatura convențională a aerului interior din încăperile alăturate, fie temperatura convențională a aerului exterior);

C [m] – lungimea conturului laturilor exterioare ale planului încăperii (măsurate la fața interioară a pereților, la nivelul solului / pardoselii);

– coeficientul de transmisie a căldurii pe contur (funcție de grosimea fundației pereților exteriori și de adâncimea pânzei de apă freatică);

[] – suprafața de pardoseala a încăperii așezată direct pe sol;

[] – coeficientul de transmisie a căldurii către sol (funcție de tipul pardoselii și de adâncimea

pânzei de apă freatică);

[℃] – temperatura solului considerată convențional +9θ ℃ indiferent de temperatura aerului exterior;

– suma adaosurilor care afectează pierderile de căldură prin transmisie:

+ [4.4] , unde:

– adaosul pentru orientare, care ține cont de pierderile de căldură ale încăperilor cu pereți exteriori (±5% funcție de orientarea cea mai defavorabila (N));

[%] – adaosul pentru compensarea efectului suprafețelor reci în calculul pierderilor de căldura ale încăperilor cu pereți exteriori (+1,5% ÷ +20%) (nu se prevede pentru încăperi de trecere: casa scării, cămară, depozit, hale industriale etc.);

[%] – adaosul special și se acordă la clădirile civile unde instalația de încălzire centrală funcționează cu intermitență (+10% ÷ +15% funcție de durata întreruperii) (pentru încăperi cu cerințe deosebite de confort);

[W] – necesarul de căldură pentru încălzirea aerului infiltrat prin rosturile ferestrelor și ușilor exterioare de la temperatura exterioară la temperatura interioară:

∙(1+ [W] [4.5] , unde:

L [cm] – lungimea rosturilor ușilor/ferestrelor (perimetrul elementelor mobile ale acestora). Se poate determina din tabel, funcție de lungimea specifică a rostului/m2;

i – coeficientul de infiltrație prin rosturi, funcție de felul ușilor și ferestrelor precum și al modului de comportare a clădirilor la acțiunea vântului;

v [] – viteza de calcul a vântului;

U = 0,36 – coeficientul ce caracterizează cantitatea de căldură pierdută la deschiderea unei uși;

[] – suprafața ușilor exterioare;

n [] – numărul de deschideri ale ușilor pe oră (funcție de specificul clădirii);

[℃] corespunzător relației (2): temperatura interioară/temperatura exterioară.

Notatii:

FE – Fereastră exterioară;

PE – Perete exterior;

PEc – Perete exterior(casa scarii)

Pd – Pardoseală;

C – Conturul laturilor exterioare.

CAMERA 1

Elementele de construcție pentru care se vor calcula pierderile de căldură

corespunzatoare sunt : ferestre, pereți exteriori, pereți interiori, pardoseala, tavan, contur (se

calculeaza și aceste pierderi pe contur deoarece la nivelul pardoselii căldura nu este cedată

doar spre sol – unde, în cazul, nostru temperatura este de 10 °C – ci este cedată și spre

exterior unde temperatura de calcul este de -18 °C.!

Parametrii m, R, t și k utilizați în calcule sunt determinați cu ajutorul tabelelor din Anexa 1

ETAPE DE CALCUL

Calculul pierderilor de căldură prin fereastră

k=1.4

S=l∙h=1.5∙1.25=1.875m2

m=1.2

=m∙k∙S∙∆t=1.2∙1.4∙1.875∙[20-(-18)]=119.7 W

2) Calculul pierderilor de căldură prin peretele exterior

k= ==1.58

S=2.962.6-1.875=5.821 m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙1.58∙5.821∙38=349.49W

3) Calculul pierderilor de căldură prin peretele interior 1

k=

m=1

S=3.9∙2.6=10.14m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙1.41∙10.14∙0=0

Δt : teoretic nu poate exista diferență de temperatură deoarece peretele interior este comum cu apartamentul vecin a cărui temperatură interioară de calcul este, i = 20 °C.

4) Calculul pierderilor de căldură prin peretele interior 2

k=

m=1

S=3.9∙2.6=10.14m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙2.15∙10.14∙(20-18)=43.60 W

5) Calculul pierderilor de căldură prin peretele interior 3

k=

m=1

S=1.2∙2.6=3.12m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙2.15∙3.12∙(20-15)=33.54 W

6) Calculul pierderilor de căldură prin peretele interior 4

Δt : teoretic nu poate exista diferență de temperatură deoarece peretele interior este comum cu holul a cărui temperatură interioară de calcul este, i = 20 °C.

Deci =0

7) Calculul pierderilor de căldură prin pardoseală

k= 0,62

m=1

S=3,9∙2,96=11,544m2

=m∙k∙S∙∆t=0,62∙11,544∙(20-9)=78,70W

8) Calculul pierderilor de căldură prin planșeu superior (tavan)

Δt : teoretic nu poate exista diferență de temperatură deoarece planșeul superior este comun cu apartamentul de la etajul 1 a cărui temperatură interioară de calcul este, i = 20 °C.

Deci =0

9) Calculul pierderilor de căldură prin contur

kc=1,18

m=1

L=2,96

=m∙k∙S∙∆t=1∙1,18∙2,96∙(20-(-18))=132,72W

10)Calculul pierderilor de căldură totale

T=119.7+349.49+43.68+33.54+71,57+132,72=757,764W

11) Calculul pierderilor de căldură prin infiltrații Qi (conform relației(4)):

∑(L∙i) ∙v4/3∙ (Өi – Өe) ∙ ( 1+)

U∙Su∙n∙ (Өi – Өe) = 0 deoarece Su=0

i=0,1177 conform STAS 1907-1 cap2,1,3,2 tabel 5

v4/3=6,35 conform STAS 1907-1 cap2,1,3,2 tabel 6

Ac=6,4 conform STAS 1907-1 cap2,1,2,2 tabel 3

A0=5

Rm===2,94

i=5,5∙0,1177∙6.354/3∙38∙ (1+=166.2 W

12) Necesarul de căldură total

=)+=757.76∙ (1+)+166.2=1010.35 W

CAMERA 2

Өi=18

1 Calculul pierderilor de căldură prin fereastră

k=1.4

S=l∙h=1∙1.25=1.25m2

m=1.2

=m∙k∙S∙∆t=1.2∙1.4∙1.25∙[18-(-18)]=75.6 W

2) Calculul pierderilor de căldură prin peretele exterior

k= ==1.58

S=1.7∙2.6-1.25=3.17 m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙1.58∙3.17∙36=180.3 W

3) Calculul pierderilor de căldură prin pardoseală

k= 0,62

m=1

S=3,9∙1.7=6.63 m2

=m∙k∙S∙∆t=0,62∙6.63∙(18-9)=36.99 W

4) Calculul pierderilor de caldura prin contur

kc=1,18

m=1

L=1.7

=m∙k∙S∙∆t=1∙1,18∙1.7∙(18-(-18))=72.21W

5)Calculul pierderilor de căldură totale

T=75.6+180,3+36,99+72.21=365.10 W

6) Calculul pierderilor de căldură prin infiltrații Qi (conform relației(4)):

∑(L∙i)∙v4/3∙(Өi – Өe) ∙(1+)

U∙Su∙n∙(Өi – Өe) = 0 deoarece Su=0

i=0,1177 conform STAS 1907-1 cap2,1,3,2 tabel 5

v4/3=6,35 conform STAS 1907-1 cap2,1,3,2 tabel 6

Ac=5,6 conform STAS 1907-1 cap2,1,2,2 tabel 3

A0=5

Rm===4,41

i=4,5∙0,1177∙6.35∙36∙(1+=127,85 W

7) necesarul de căldură total

=)+=365.1∙(1+10,6/100)+128.82=531,68 W

CAMERA 3

Өi=22 0C

1 Calculul pierderilor de căldură prin fereastră

k=1.4

S=l∙h=0.75∙0.75=0.562m2

m=1.2

=m∙k∙S∙∆t=1.2∙1.4∙0.562∙[22-(-18)]=37.76 W

2) Calculul pierderilor de căldură prin peretele exterior 1

k= ==1.58

S=1.5*2.6-0.562=3.338 m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙1.58∙3.338∙40=210.96 W

3) Calculul pierderilor de căldură prin peretele exterior 2

k=1.58

S=1.2∙2.6=3.12m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙1.58∙3.12∙40=197.18 W

4) Calculul pierderilor de căldură prin pardoseală

k= 0,62

m=1

S=3,9∙1.5=5.85 m2

=m∙k∙S∙∆t=0,62∙5.85∙(22-9)=47.15 W

5) Calculul pierderilor de căldură prin contur

kc=1,18

m=1

L=2,7m

=m∙k∙S∙∆t=1∙1,18∙2,7∙(22-(-18))=127.44W

6) Calculul pierderilor de căldură prin peretele interior 1

k=

m=1

S=1.5∙2.6=3.9m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙1.41∙3.9∙0=0

Δt : teoretic nu poate exista diferență de temperatură deoarece peretele interior este comum cu holul a cărui temperatură interioară de calcul este, i = 20 °C.

7) Calculul pierderilor de căldură prin peretele interior 2

k=

m=1

S=2.7∙2.6=7.02m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙2.15∙7.02∙ (22-20)=30.18 W

8) Calculul pierderilor de căldură prin peretele interior 3

k=

m=1

S=3.9∙2.6=10.14m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙2.15∙10.14∙ (22-18)=87.2 W

9) Calculul pierderilor de căldură totale

T=37.76+210.96+197.18+47.15+127.44+30.18+87.2=737.89 W

10) Calculul pierderilor de căldură prin infiltrații Qi (conform relației(4)):

∑(L∙i) ∙v4/3∙ (Өi – Өe) ∙ ( 1+)

U∙Su∙n∙ (Өi – Өe) = 0 deoarece Su=0

i=0,1177 conform STAS 1907-1 cap2,1,3,2 tabel 5

v4/3=6,35 conform STAS 1907-1 cap2,1,3,2 tabel 6

Ac=7,2 conform STAS 1907-1 cap2,1,2,2 tabel 3

A0=5

Rm===2,15

i=3∙0,1177∙6.35∙40∙(1+=96,14W

11) necesarul de căldură total

=)+=737.87∙(1+12,2/100)+96,14=924,06 W

CAMERA 4

Өi=20 0C

1) Calculul pierderilor de căldură prin fereastră

k=1.4

S=l∙h=1,25∙1,25=1,562m2

=m∙k∙S∙∆t=1.2∙1.4∙1,562∙[20-(-18)]=99,75 W

2) Calculul pierderilor de căldură prin ușă balcon

k=1.4

S=l∙h=0.8∙2,05=1,64m2

m=1.2

=m∙k∙S∙∆t=1.2∙1.41,64∙[20-(-18)]=104,69 W

3) Calculul pierderilor de căldură prin peretele exterior 1

k= ==1.58

S=3,4∙2.6-1,562-1,64=5,638 m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙1.58∙5,638∙38=338,5 W

4) Calculul pierderilor de căldură prin peretele exterior 2

k= ==1.58

S=4,92∙2,6=12,792 m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙1.58∙12,792∙38=768,03 W

5) Calculul pierderilor de căldură prin pardoseală

k= 0,62

m=1

S=4,92∙3,4=16,728 m2

=m∙k∙S∙∆t=0,62∙16,728∙ (20-9)=114,08 W

6) Calculul pierderilor de căldură prin contur

kc=1,18

m=1

L=3,4+4,92=8,32m

=m∙k∙S∙∆t=1∙1,18∙8,32∙ (20-(-18))=373,06 W

7) Calculul pierderilor de căldură totale

T=99,71+104,69+338,5+768,03+114,08+373,06=1798,109 W

8) Calculul pierderilor de căldură prin infiltrații Qi (conform relației(4)):

[W]

∑(L∙i)∙v4/3∙(Өi – Өe) ∙( 1+)

U∙Su∙n∙(Өi – Өe) = 0,36∙1,64∙1∙38=22,43

i=0,1177 conform STAS 1907-1 cap2,1,3,2 tabel 5

v4/3=6,35 conform STAS 1907-1 cap2,1,3,2 tabel 6

Ac=7,75 conform STAS 1907-1 cap2,1,2,2 tabel 3

A0=5

Rm===1,62

i=9,45∙0,1177∙6.35∙38∙(1+311,62 W

9. necesarul de căldură total

=)+=1798,07∙(1+12.75/100)+311,62=2338.992 W

CAMERA5 HOL

Өi=20 0C

1) Calculul pierderilor de căldură prin perete casă scări1

k= ==1,399

S=3∙2.6+1,7∙2,6=12,22 m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙1.399∙12,22∙(20-10)=170.95W

2) Calculul pierderilor de căldură prin perete casă scări 2

λ=0,37 lemn stejar

k= ==2,59

S=2,6∙0,87=2,262 m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙2,59∙2,262∙10=58.58 W

3) Calculul pierderilor de căldură prin pardoseală

k= 0,62

m=1

S=3∙2,4+1,7∙1,2=9,24 m2

=m∙k∙S∙∆t=0,62∙9,24∙(20-9)=63.01 W

4) Calculul pierderilor de căldură totale

T=170.95+58.58+63.01=292.56 W

5) Calculul pierderilor de căldură prin infiltrații Qi (conform relației(4)):

∑(L∙i)∙v4/3∙(Өi – Өe) ∙( 1+)

U∙Su∙n∙(Өi – Өe) = 0 deoarece Su=0

i=0,1177 conform STAS 1907-1 cap2,1,3,2 tabel 5

v4/3=6,35 conform STAS 1907-1 cap2,1,3,2 tabel 6

Ac=4 conform STAS 1907-1 cap2,1,2,2 tabel 3

A0=5

Rm===10

i=5,7∙0,1177∙6.35∙10∙(1+=44.30W

9) necesarul de căldură total

=)+=292.56∙(1+)+44.30=363.19 W

4.2 Calculul necesarului de căldură al încăperilor cu izolație termică

4.2.1 Necesitatea izolării termice a pereților exteriori ai incintei

Izolarea termică a locuinței este o parte esențială a sistemului de încălzire și răcire. Aceasta crește nivelul de confort și reduce cheltuielile, în anumite situații, chiar și cu pâna la 50 %. Termoizolarea casei se impune indiferent de anotimp, utilizatorul bucurându-se de un confort sporit chiar dacă afară temperaturile sunt prea crescute sau prea scazute.

Izolarea termică cu polistiren a unei locuințe prezintă anumite avantaje deosebit de importante. Prin intermediul acestui material are loc creșterea eficientă a termoizolării pereților și eliminarea punților termice. Plăcile de polistiren au o greutate redusa care nu afectează structura de rezistență a clădirii. Polistirenul permite refacerea fațadei și păstrarea detaliilor arhitecturale și oferă posibilitatea mascării eventualelor fisuri ale pereților.

Polistirenul folosit la izolații poate fi expandat sau extrudat. Polistirenul expandat are diferite densități și este folosit pentru izolarea termică a pereților în timp ce polistirenul extrudat (cu o densitate mai ridicată) este folosit cu precădere la izolarea termică a pereților fundațiilor și a

pardoselilor. Cel din urmă, având o densitate mai mare are și o rezistența mărita și se poate

turna șapă și se poate fixa parchet deasupra lui.

Pereții exteriori sunt alcătuiți conform tabelului 2a din capitolul III

CAMERA 1

Өi=20 0C

Elementele de construcție pentru care se vor calcula pierderile de căldură

corespunzatoare sunt : ferestre, pereți exteriori, pereți interiori, pardoseala, tavan, contur (se calculează și aceste pierderi pe contur deoarece la nivelul pardoselii căldura nu este cedată doar spre sol – unde, în cazul, nostru temperatura este de 9 °C – ci este cedată și spre exterior unde temperatura de calcul este de -18 °C.!

Parametrii m, R, t și k utilizați în calcule sunt determinați cu ajutorul tabelelor din Anexa 1

1)Calculul pierderilor de căldură prin fereastră

k=1.4

S=l∙h=1.5∙1.25=1.875m2

m=1.2

=m∙k∙S∙∆t=1.2∙1.4∙1.875∙[20-(-18)]=119.7 W

2) Calculul pierderilor de căldură prin peretele exterior

k= ==0,30

S=2.96∙2.6-1.875=5.821 m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙0,30∙5.821∙38=66,36W

3) Calculul pierderilor de căldură prin peretel interior 1

k=

m=1

S=3.9∙2.6=10.14m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙1.41∙10.14∙0=0

Δt : teoretic nu poate exista diferență de temperatură deoarece peretele interior este comum cu apartamentul vecin a cărui temperatură interioară de calcul este, i = 20 °C.

4) Calculul pierderilor de căldură prin peretele interior 2

k=

m=1

S=3.9∙2.6=10.14m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙2.15∙10.14∙(20-18)=43.60 W

5) Calculul pierderilor de căldură prin peretele interior 3

k=

m=1

S=1.2∙2.6=3.12m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙2.15∙3.12∙(20-15)=33.54 W

6) Calculul pierderilor de căldură prin peretele interior 4

Δt : teoretic nu poate exista diferență de temperatură deoarece peretele interior este comum cu holul a cărui temperatură interioară de calcul este, i = 20 °C.

Deci =0

7) Calculul pierderilor de căldură prin pardoseală

k= 0,62

m=1

S=3,9∙2,96=11,544m2

=m∙k∙S∙∆t=0,62∙11,544∙(20-9)=78,73W

8) Calculul pierderilor de căldură prin planșeu superior (tavan)

Δt : teoretic nu poate exista diferență de temperatură deoarece planșeul superior este comun cu apartamentul de la etajul 1 a cărui temperatură interioară de calcul este, i = 20 °C.

Deci =0

9) Calculul pierderilor de căldură prin contur

kc=1,18

m=1

L=2,96

=m∙k∙S∙∆t=1∙1,18∙2,96∙(20-(-18))=132,72W

10)Calculul pierderilor de căldură totale

T=119.7+66,36+43.60+33.54+78,73+132,72=474,63 W

+ =5+7=11.4

11) Calculul pierderilor de căldură prin infiltrații Qi (conform relației(4)):

∑(L∙i)∙v4/3∙(Өi – Өe) ∙( 1+)

U∙Su∙n∙(Өi – Өe) = 0 deoarece Su=0

i=0,1177 conform STAS 1907-1 cap2,1,3,2 tabel 5

v4/3=6,35 conform STAS 1907-1 cap2,1,3,2 tabel 6

Ac=6,4 conform STAS 1907-1 cap2,1,2,2 tabel 3

A0=5

Rm===2,94

i=5,5∙0,1177∙6.354/3∙38∙(1+=166.2 W

12) necesarul de căldură total

=)+=474,65∙(1+)+166.2=694,94 W

CAMERA 2

Өi=18 0C

1 Calculul pierderilor de căldură prin fereastră

k=1.4

S=l∙h=1∙1.25=1.25m2

m=1.2

=m∙k∙S∙∆t=1.2∙1.4∙1.25∙[18-(-18)]=75.6 W

2) Calculul pierderilor de căldură prin peretele exterior

k= ==0,30

S=1.7∙2.6-1.25=3.17 m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙0,3∙3.17∙36=34,236W

3) Calculul pierderilor de căldură prin pardoseală

k= 0,62

m=1

S=3,9∙1.7=6.63 m2

=m∙k∙S∙∆t=0,62∙6.63∙(18-9)=36.99 W

4) Calculul pierderilor de căldură prin contur

kc=1,18

m=1

L=1.7

=m∙k∙S∙∆t=1∙1,18∙1.7∙(18-(-18))=72.21W

5)Calculul pierderilor de căldură totale

T=75.6+34,236+36,99+72.21=218,936 W

6) Calculul pierderilor de căldură prin infiltrații Qi (conform relației(4)):

∑(L∙i)∙v4/3∙(Өi – Өe) ∙(1+)

U∙Su∙n∙(Өi – Өe) = 0 deoarece Su=0

i=0,1177 conform STAS 1907-1 cap. 2,1,3,2 tabel 5

v4/3=6,35 conform STAS 1907-1 cap2,1,3,2 tabel 6

Ac=5,6 conform STAS 1907-1 cap2,1,2,2 tabel 3

A0=5

Rm===4,41

i=4,5∙0,1177∙6.35∙36∙(1+=127,85 W

7) Necesarul de căldură total

=)+=218,936∙(1+10.6/100)+128.82=370.12W

CAMERA 3

Өi=22 0C

1) Calculul pierderilor de căldură prin fereastră

k=1.4

S=l∙h=0.75∙0.75=0.562m2

m=1.2

=m∙k∙S∙∆t=1.2∙1.4∙0.562∙[22-(-18)]=37.76 W

2) Calculul pierderilor de căldură prin peretele exterior 1

k= ==0,30

S=1.5∙2.6-0.562=3.338 m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙0,3∙3.338∙40=40,05 W

3) Calculul pierderilor de căldură prin peretele exterior 2

k=0,3

S=1.2∙2.6=3.12m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙0,3∙3.12∙40=37,44 W

4) Calculul pierderilor de căldură prin pardoseală

k= 0,62

m=1

S=3,9∙1.5=5.85 m2

=m∙k∙S∙∆t=0,62∙5.85∙(22-9)=47.15 W

5) Calculul pierderilor de căldură prin contur

kc=1,18

m=1

L=2,7m

=m∙k∙S∙∆t=1∙1,18∙2,7∙(22-(-18))=127.44W

6) Calculul pierderilor de căldură prin peretel interior 1

k=

m=1

S=1.5∙2.6=3.9m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙1.41∙3.9∙0=0

Δt : teoretic nu poate exista diferență de temperatură deoarece peretele interior este comum cu holul a cărui temperatură interioară de calcul este, i = 20 °C.

7) Calculul pierderilor de căldură prin peretele interior 2

k=

m=1

S=2.7∙2.6=7.02m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙2.15∙7.02∙(22-20)=30.18 W

8) Calculul pierderilor de căldură prin peretele interior 3

k=

m=1

S=3.9∙2.6=10.14m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙2.15∙10.14∙(22-18)=87.2 W

9)Calculul pierderilor de căldură totale

T=37.76+40,05+37,44+47.15+127.44+30.18+87.2=407,27 W

10) Calculul pierderilor de căldură prin infiltratii Qi (conform relației(4)):

∑(L∙i)∙v4/3∙(Өi – Өe) ∙( 1+)

U∙Su∙n∙(Өi – Өe) = 0 deoarece Su=0

i=0,1177 conform STAS 1907-1 cap2,1,3,2 tabel 5

v4/3=6,35 conform STAS 1907-1 cap2,1,3,2 tabel 6

Ac=7,2 conform STAS 1907-1 cap2,1,2,2 tabel 3

A0=5

Rm===2,15

i=3∙0,1177∙6.35∙40∙(1+=96,14W

11) necesarul de căldură total

=)+=407,22∙(1+12.2/100)+96,14=553.10 W

CAMERA 4

Өi=20 0C

1) Calculul pierderilor de căldură prin fereastră

k=1.4

S=l∙h=1,25∙1,25=1,562m2

=m∙k∙S∙∆t=1.2∙1.4∙1,562∙[20-(-18)]=99,71 W

2) Calculul pierderilor de căldură prin ușă balcon

k=1.4

S=l∙h=0.8∙2,05=1,64m2

m=1.2

=m∙k∙S∙∆t=1.2∙1.4∙1,64∙[20-(-18)]=104,69 W

3) Calculul pierderilor de căldură prin peretele exterior 1

k= ==0,30

S=3,4∙2.6-1,562-1,64=5,638 m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙0,3∙5,638∙38=64,27W

4) Calculul pierderilor de căldură prin peretele exterior 2

k= ==0,30

S=4,92∙2,6=12,792 m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙0,3∙12,792∙38=145,82 W

5 Calculul pierderilor de căldură prin pardoseală

k= 0,62

m=1

S=4,92∙3,4=16,728 m2

=m∙k∙S∙∆t=0,62∙16,728∙(20-9)=114,08 W

6)Calculul pierderilor de căldură prin contur

kc=1,18

m=1

L=3,4+4,92=8,32m

=m∙k∙S∙∆t=1∙1,18∙8,32∙(20-(-18))=373,06 W

7) Calculul pierderilor de căldură totale

T=99,71+104,69+64,27+145,82+114,08+373,06=901,63 W

8) Calculul pierderilor de căldură prin infiltratii Qi (conform relației(4)):

[W]

∑(L∙i)∙v4/3∙(Өi – Өe) ∙( 1+)

U∙Su∙n∙(Өi – Өe) = 0,36∙1,64∙1∙38=22,43

i=0,1177 conform STAS 1907-1 cap2,1,3,2 tabel 5

v4/3=6,35 conform STAS 1907-1 cap2,1,3,2 tabel 6

Ac=7,75 conform STAS 1907-1 cap2,1,2,2 tabel 3

A0=5

Rm===1,62

i=9,45∙0,1177∙6.35∙38∙(1+311,62 W

9) necesarul de căldură total

=)+=901,63∙(1+12.75/100)+311,62=1328.28 W

CAMERA5 HOL

Өi=20 0C

1) Calculul pierderilor de căldură prin perete casa scări1

k= ==1,399

S=3∙2.6+1,7∙2,6=12,22 m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙1.399∙12,22∙(20-10)=170.95 W

2) Calculul pierderilor de căldură prin perete casa scări 2

λ=0,37 lemn stejar

k= ==2,59

S=2,6∙0,87=2,262 m2

=m∙k∙S∙∆t=1∙2,59∙2,262∙10=58.58 W

3) Calculul pierderilor de căldură prin pardoseală

k= 0,62

m=1

S=3∙2,4+1,7∙1,2=9,24 m2

=m∙k∙S∙∆t=0,62∙9,24∙(20-9)=63.06W

4) Calculul pierderilor de căldură totale

T=170.95+58.58+63.01=292.56 W

5 Calculul pierderilor de căldură prin infiltratii Qi (conform relației(4)):

∑(L∙i)∙v4/3∙(Өi – Өe) ∙( 1+)

U∙Su∙n∙(Өi – Өe) = 0 deoarece Su=0

i=0,1177 conform STAS 1907-1 cap2,1,3,2 tabel 5

v4/3=6,35 conform STAS 1907-1 cap2,1,3,2 tabel 6

Ac=4 conform STAS 1907-1 cap2,1,2,2 tabel 3

A0=5

Rm===10

i=5,7∙0,1177∙6.35∙5∙(1+=22,15W

9) Necesarul de căldură total

=)+=143,41∙(1+)+22,15=181,90 W

4.3 Dimensionarea sistemului de incalzire propus.

Pentru studiul de caz prezentat concret la cap.3 evaluarea prin calcul a sarcinii termice necesare se realizeaza utilizand algoritmul de calcul prezentat la cap.4.2.In urma calculelor efectuate pentru situatia propusa la cap.4.2 si particularizand coeficientii din relatiile de calcul,rezultatele numerice calculate sunt prezentate sintetic in (tab.4.3.1)

Tabel 4.3.1

4.3.1 Descrierea generala a sistemului de încălzire electrică în pardoseală

Componentele care stau la baza sistemului de încălzire în pardoseală sunt:

Cablu încălzitor (fig.4.2), rețea de fixare, termostat digital programabil cu senzori de  temperatura în pardoseală și ambient (fig.4.3), 

fig. 4.2 –cablu încălzitor                                    fig.4.3 – termostat digital

Funcționarea se bazează pe principiul clasic al degajării controlate de căldură la trecerea curentului electric prin rezistența cablului. Acesta este protejat printr-o manta metalică conectată la împământare, și un înveliș foarte rezistent din PVC sau silicon, și este atestat de forurile competente europene. În cazul unei întreruperi cauzate accidental (o gaură ‘cu ghinion’ in pardoseală), există un kit de reparație, înlocuindu-se doar câtiva centimetri din cablu în zona afectată. Sistemul se alimentează cu 230V din tabloul electric, și este controlat de un termostat electronic. Termostatul realizează un echilibru optim între temperatură pardoselii și cea ambientă, reducând consumul de energie prin optimizarea timpilor de funcționare a încălzirii și programarea diferențiata zi/noapte pentru fiecare zi a săptămânii.

Sistemul de încălzire poate fi total (asigură întregul confort termic) sau suplimentar (când suplinește prin confortul pardoselii calde un sistem de încălzire existent).

Alegerea cablurilor încălzitoare

Pentru realizarea instalației electrice de încălzire prin pardoseală se utilizează, în mod frecvent, cele 3 tipuri de cablaje disponibile pe piață [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 instalației electrice nu există practic nicio diferență 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 construcție, cu spirele realizate și dispuse pe o folie protectoare. Totuși utilizarea acestei soluții 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 protecție) care să acopere unitatea de suprafață – 1 m2 – poate ajunge până la de două ori costul elementelor achiziționate 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 rețea (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 cerință poate constitui un inconvenient în cazul încăperilor de dimensiuni mari.

Cablurile cu două conductoare au capătul de început mufat în vederea conectării la rețea 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 găsește pe piață, 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 fabricație. În plus, folosirea unui cablu electric încălzitor de 10 W/m presupune un consum sporit de cablu, spre deosebire de situația în care se utilizează, de exemplu, cablu de 20 W/m .

Covorașele sunt ideale pentru încălzirea prin pardoseală cu suprafață mare sau cu formă regulată și sunt alese în favoarea cablurilor în această aplicație. Acestea mai au avantajul că pot fi montate cu o ușurință sporită.

Fig.4.5 Covorase electrice încălzitoare

Acestea au următoarele caracteristici:

Elementul încălzitor este ultrafin, având doar 2mm grosime, ceea ce nu afectează înaltimea pardoselei.

Instalare rapida – Se intinde covorasul și se lipeste pardoseala cu adeziv flexibil.

Reacție imediată: se obține o pardoseală caldă în doar 20 de minute.

Ideal pentru pavaje ceramice sau din piatră.

Instalarea covorașelor încălzitoare se efectuează prin mai mulți pași:

PASUL 1

Se împarte podeaua în dreptunghiuri imaginare. Măsurând aceste dreptunghiuri imaginare se poate calcula câte covorașe încălzitoare și de ce dimensiuni trebuie. Se ignoră mobila grea care va rămane nemișcată.

PASUL 2

În cazul în care pardoseala este șapă de beton, este recomandat să se izoleze cu plăci de izolație pentru a minimiza pierderile de căldură și de a asigura o încălzire mai rapidă.

PASUL 3

Se așeaza prima fâșie. La sfârșitul fâșiei se taie covorașul lăsând cablul intact, se întoarce covorașul la 90 sau 180 grade și continuă derularea lui. În cazul în care zona este acoperită, se reglează covorașul astfel încat buclele să fie la aceeași distanță una de cealaltă. Se atasează covorașul folosind banda adeziva furnizată.

PASUL 4

Se așează sonda de temperatură de la termostat pe podea, echidistant între două bucle de cablu pe partea superioară a covorașului. După ce toate conexiunile sunt făcute se pornește sistemul de încălzire pentru a asigura că fiecare element se încălzeste (nu mai mult de 10 minute).

PASUL 5

Se așeaza pardoseala peste covorașul încălzitor

În continuare se vor prezenta  criteriile de alegere a covorașelor: suprafața de pardoseală încălzită a camerei și puterea instalată în respectiva cameră. În acest sens, pentru a estima suprafața utilă, cea propriu-zis acoperită de covorașele încălzitoare, mai întâi se calculează suprafața pardoselii încăperii. Apoi calculul acestei suprafețe utile derivă din următorul procedeu : se va scădea din suprafața pardoselii suprafețele care nu necesită încălzire, adică cele mobilate.

Covorașul încălzitor deși prezintă același principiu de funcționare ca și cablul electric încălzitor, datorită grosimii sale nu mai necesită turnarea șapei, ci este suficient să se înglobeze în adezivul gresiei. Cablul electric al covorașului este gata așezat pe o plasă foarte subțire din fibră de sticlă, spirele sunt gata făcute, iar utilizatorul doar îl întinde pe suprafața liberă, ocolind obiectele de mobilier care se vor monta ulterior pe pardoseală.Se folosește mai ales în cazurile în care s-a turnat deja șapa și nu mai este posibilă o înălțare suplimentară.

În continuare se poate observa un plan de plasare a mobilei.

Pentru cele patru camere în care se vor monta covorașele, mobila aleasă având dimensiunile cu suprafațele aferente:

Fig.4.6 Plan cu mobila

Pentru cele cinci camere în care se vor monta covorașele, mobila aleasă având dimensiunile cu suprafațele aferente:

Dormitor:

• pat dublu: 205×172 cm, suprafața = 3.52 m2

• noptieră: 2*(35×35) cm, suprafața = 0.245 m2

• dulap: 210×75 cm, suprafața = 1.57 m2

Suprafața totală=5.46 m2

Baie:

• cabină duș: 100×100 cm, suprafața = 1 m2

• lavoar: 70×120 cm, suprafața =0.84 m2

• WC+Bideu: 65×100 cm, suprafața =0.65 m2

Suprafața totală=2.49m2

Camera de zi:

• canapea: 217x113cm, suprafața = 2.45 m2

Suprafața totală=2.45 m2

Bucatarie:

• frigider: 70×70 cm, suprafața = 0.49 m2

• blat: 250×60 cm, suprafața =1.5 m2

• aragaz: 60×50 cm, suprafața = 0.3 m2

Hol:

Fotoliu:2x120x0.7cm,suprafața=1,68

Tabel 4.2

În funcție de suprafețele calculate, se alege tipul de covoraș încălzitor. Acestea aparțin firmei furnizoare Elektra. Mai multe detalii surprinse din data de catalog pot fi observate în Anexe si sintetizat în tabelul următor :

Tabel 4.3.

Puterea totală pe apartament este de 3640 W

Plan aranjare covorașe

4.3.2 Termostatul

Termostatul este un aparat sau o instalație 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 rețea printr-un simplu întrerupător (ON/OFF) funcționarea acesteia ar fi haotică și total neeconomică. În plus, comanda ei ar trebui făcută manual de către utilizator fără a se mai ține 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. 4.8) este soluția optimă de control, reglare și comandă a instalației 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 :

Interfață 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 instalației electrice de încălzire în cazul defectării unui senzor

fig. 4.5 Termostatul Raychem TA. Aspect. Dimensiuni

La amplasarea termostatului pe perete (fig 4.8) trebuie avute în vedere anumite considerente:

fig. 4.9 Amplasarea ideală a unui termostat

termostatul trebuie amplasat la aproximativ 1.5 metri deasupra pardoselii, într-o zonă cu o bună circulație 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 condiționat.

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 4.10, după cum urmează :

prin pinii 5 și 6 se realizează alimentarea termostatului și a instalației de la reteaua de 230 V c.a.

4.4. Prepararea apei calde menajere

Prepararea apei calde menajere, reprezintă o componentă importantă a necesarului de căldură al unui imobil, prezentând ca și caracteristică importantă faptul că este relativ constantă tot timpul anului.

În cazul utilizării surselor regenerabile de energie, cum sunt energia solară sau energia geotermală utilizată în pompele de căldură, temperatura apei calde menajere preparate, va fi de cca. 45°C. În cazul în care căldura pentru prepararea apei calde se obține prin arderea unor combustibili clasici solizi, lichizi sau gazoși, biomasă solidă, biogaz, etc., temperatura apei va fi de 60…65°C. În ambele cazuri, temperatura apei la utilizare va fi de cca. 40°C, această temperatură fiind reglată prin adaus de apă rece.

Prepararea apei calde menajere cu ajutorul energiilor regenerabile, se realizează în regim de acumulare. Nu se utilizează niciodată regimul “instant” de preparare a apei calde, deoarece acesta din urmă, presupune sarcini termice mari, deci echipamente scumpe. Astfel, cu ajutorul surselor regenerabile de energie, apa caldă menajeră este preparată în boilere, al căror volum de acumulare trebuie determinat în funcție de consumul zilnic de apă pe care trebuie să îl asigure.

O problemă importantă a prepararării apei calde menajere la temperaturi sub 60°C, este că în boilerele aflate sub această temperatură, se poate dezvolta o bacterie, denumită Legionella Pneumophila. Această bacterie nu afectează sistemul digestiv, dar este extrem de agresivă pentru sistemul respirator, afectând plămânii și poate provoca inclusiv moartea pacienților. În băi, bacteria menționată poate să ajungă din apă în aer, iar de aici poate să fie inhalată în plămâni. Denumirea bacteriei este legată de legiunile romane, deoarece membrii acestora au fost primii oameni care au contractat boala, intrând în contact cu apă contaminată. Datorită acestei bacterii, cel puțin boilerele pentru prepararea apei calde menajere la temperaturi sub 60°C, trebuie prevăzute și cu o rezistență electrică, sau cu o altă sursă de căldură, deoarece apa caldă menajeră din boiler trebuie încălzită pentru cel puțin pentru o oră pe zi, până la temperatura de 60°C, la care această bacterie este distrusă.

În instalațiile pentru prepararea apei calde menajere se pot utiliza diferite tipuri de boilere, așa cum se observă în figurile 4.1…4.4, care pot fi racordate la diverse echipamente de încălzire, funcționând cu diverse surse de energie.

Fig. 4.1. Boiler vertical electric

www.viessmann.com

Fig. 4.2. Boiler orizontal cu o serpentină

www.viessmann.com

Fig. 4.3. Boiler vertical cu o serpentină

www.viessmann.com

Fig. 4.4. Boiler vertical cu două serpentine și rezistență electrică

www.viessmann.com

4.4.1. Calculul de dimensionare a boilerelor pentru prepararea apei calde

Calculul de dimensionare a boilerelor pentru prepararea apei calde menajere, are ca scop determinarea volumului acestora, cel puțin egal cu volumul zilnic necesar de apă caldă.

În tabelele alăturate, conforme cu normele internaționale, se observă că în cazul preparării apei calde menajere la temperatura de 45°C cantitatea de apă trebuie să fie mai mare decât în cazul preparării apei la 60°C, pentru a acoperi integral, consumul zilnic.

Tabel 4.4 Consumuri de apă caldă menajeră în locuințe

Tabel 4.5 Consumuri de apă caldă menajeră în unități hoteliere, pensiuni și cămine

Pentru dimensionarea orientativă, din punct de vedere termic, a sistemului de preparare a apei calde menajere pentru locuințe, în cazul utilizării surselor regenerabile de energie, se poate considera un consum normal de apă caldă de 50 l/pers/zi, la temperatura de 45°C. În cazul în care beneficiarul estimează că va depăși consumul normal de apă caldă indicat în tabel, se va tine seama de acest lucru și se va dimensiona boilerul pentru consumul de apă indicat de beneficiar. Volumul minim al boilerului Vbmin, se poate calcula cu relația:

unde:

n – numărul de persoane;

Czn – consumul zilnic normat pe persoană, luat în considerare;

tacm – temperatura apei calde menajere la punctul de consum;

tar – temperatura apei reci la intrarea în boiler;

tb – temperatura apei calde din boiler

În cazul utilizării energiei solare, sau energiei geotermale (pompe de căldură) boilerele se vor supradimensiona față de volumul minim de apă, cu un factor de supradimensionare f=1,5…2. În cazul preparării apei calde menajere la 45°C, această supradimensionare are scopul ca în timpul utilizării apei calde, să nu fie sesizată o scădere progresivă evidentă a temperaturii apei, datorate pătrunderii treptate în boiler a apei reci care completează apa caldă consumată. În cazul boilerelor cu volumul minim calculat după relația matematică prezentată anterior, pe măsură ce s-ar consuma apa caldă din boiler și aceasta ar fi înlocuită de apă rece, s-ar sesiza scăderea treptată a temperaturii apei calde, ceea ce ar crea un fenomen de disconfort evident în cazul utilizării unor cantități mai mari de apă caldă, la un moment dat (ex. în timpul dușului). În cazul preparării apei calde menajere la 60°C, dar cu ajutorul energiei solare, caracterizată printr-o intensitate a radiației foarte variabilă, supradimensionarea boilerului este necesară pentru a se putea acumula o cantitate mai mare de apă decât cea minimă necesară, în vederea reducerii consumului de energie pentru prepararea apei calde menajere, în zilele cu radiație solară este mai puțin intensă. Astfel dacă factorul de supradimensionare este f=2, într-o zi cu radiație solară intensă se va putea prepara și acumula gratuit (folosind energia solară), o cantitate dublă de apă caldă menajeră, care va acoperi integral consumul și pentru ziua următoare, în cazul în care acea zi nu va beneficia de un nivel ridicat al radiației solare (ex. o zi ploioasă sau rece și înnorată). În acest fel, sursa alternativă de energie pentru prepararea apei calde, nu va funcționa a doua zi după una însorită, ceea ce reprezintă o economie importantă de energie și o reducere semnificativă a costurilor de exploatare a unei asemenea instalații de preparare a apei calde menajere. În cazul instalațiilor de preparare a apei calde menajere cu ajutorul combustibililor clasici, a biomasei solide, a biogazului sau a energiei electrice, nu este necesară supradimensionarea boilerului.

Ținând seama de cele menționate anterior, volumul boilerului Vb, se va calcula cu relația:

unde:

f = 1,5…2 în cazul utilizării energiei solare sau a pompelor de căldură;

f = 1 în cazul utilizării combustibililor clasici, a biomasei solide, a biogazului sau a energiei electrice.

În continuare vor fi analizate câteva cazuri particulare de dimensionare a boilerului pentru apă caldă menajeră, considerând o locuință cu 4 persoane, un consum normal de apă caldă Czn=50l/pers/zi și diverse surse de energie.

4.4.2 Calculul necesarului de căldură pentru prepararea apei calde menajere

Sarcina termică Q& acm necesară pentru prepararea apei calde menajere se determină cu relația:

unde:

– m este cantitatea de apă caldă preparată:

m = n ⋅Czn ⋅ρ [kg]

ρ este densitatea apei, care variază în funcție de temperatură, dar pentru calcule orientative se poate considera ρ=1000 kg/m3;

n și Czn au semnificația prezentată anterior;

cw este căldura specifică a apei – se poate considera cw = 4,186 kgkJ⋅K ;

tb este temperatura apei din boiler, deci temperatura până la care este încălzită apa;

tr este temperatura apei reci, având o variație sezonieră și în funcție de poziția geografică – în general vara tr=12…17°C, iar iarna tr=5…10°C. Pentru calcule orientative se poate considera tr=10°C;

τ [h] este timpul în care este încălzită apa.

Considerând că pentru determinarea cantității de apă se utilizează relația prezentată anterior, sarcina termică Qacm necesară pentru prepararea apei calde menajere se poate calcula cu relația:

Sarcina termică Qacm necesară pentru prepararea apei calde menajere necesare zilnic pentru o persoană se poate calcula cu relația anterioară, considerând n=1:

Considerând valoarea consumului zilnic Czn=50l=50·10-3m3, temperatura apei din boiler tb=45°C, temperatura apei reci t1 =10°C și durata perioadei de preparare a apei calde τ=8h, se obține:

Astfel s-a arătat că pentru calcule rapide și orientative se poate considera că sarcina termică necesară pentru prepararea apei calde menajere necesare zilnic pentru o persoană, într-un interval de 8h, este de cca. 250W=0,25kW. Corespunzător, sarcina termică necesară pentru prepararea apei calde necesare unei familii constituite din 4 persoane, este de 1kW.

Această ultimă valoare se poate obține calculând sarcina termică Qacm pentru n=4 persoane:

În toate aceste calcule s-a considerat că durata perioadei de preparare a apei calde este de 8h.

Căldura Qacm necesară pentru prepararea apei calde menajere se poate calcula cu relația:

În contextul unor eventuale calcule economice, poate fi utilizată aceeași relație scrisă sub forma care să furnizeze rezultatul exprimat în kWh:

Analizând aceste relații, se observă că pentru calculul sarcinii termice necesare în vederea încălzirea apei, este foarte important timpul în care este preparată apa caldă.

În figura 4.5 este prezentată influența timpului pentru prepararea apei calde menajere asupra sarcinii termice necesare pentru încălzire, în aceleași condiții considerate și pentru calculele efectuate anterior.

Fig. 4.5. Influența timpului de încălzire asupra sarcinii termice necesare încălzirii a.c.m. n=1; Czn=50l/zi; tb=45°C; tr=10°C

Pentru a calcula sarcina termică necesară încălzirii apei în regim “instant” și a compara această valoare cu cele determinate anterior, respectiv cu cele reprezentate în figura 5, se va considera un exemplu numeric. Se va considera că regimul “instant” echivalează cu încălzirea unei cantități de apă de 10l, de la temperatura de 10°C, la temperatura de 45°C, într-un interval de 1minut. De fapt, aspect exemplu corespunde încălzirii în regim continuu a apei, de la 10°C la 45°C, cu un debit de 10l/min. Acest debit se poate transforma în sistemul internațional:

Sarcina termică Qacm necesară pentru încălzirea acestui debit este:

Observație: Această valoare a sarcinii termice necesare pentru încălzirea în regim “instant” a apei calde menajere, corespunde sarcinii termice a microcentralelor murale de apartament, aceasta având valoarea de 24kW.

Comparând valoarea de 24kW a sarcinii termice necesare pentru încălzirea apei în regim instant, cu valoarea de 0,25kW necesară pentru a încălzi în 8h întreaga cantitate de apă necesară unei persoane într-o zi, se observă că în cazul preparării apei calde în 8h, se reduce sarcina termică necesară a echipamentului de încălzire, de aproape 100 ori față de sarcina termică necesară în regim “instant”. Acesta este principalul motiv pentru care echipamentele pentru prepararea apei calde menajere cu ajutorul surselor regenerabile de energie, sunt dimensionate pentru regimul de “acumulare” și nu pentru regimul “instant”, cu atât mai mult cu cât costurile echipamentelor de conversie a energiei regenerabile în căldură este mult mai mare decât costul echipamentelor clasice de același tip.

Pentru a satisface nevoia de apă caldă se alege un boiler electric tip:

Top of Form

Boiler electric Gorenje TGR 100, 100 litri [17]

Cod produs: 61598

General

Specificații

Dimensiuni

5. CONCLUZII ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE

Încălzirea electrică prin pardoseală nu mai reprezintă demult o soluție extravagantă de încălzire a spațiilor locative căci, prin continua 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 evidență devenind de multe ori, datorită confortului termic deosebit pe care îl oferă, prima opțiune de încălzire a încăperilor.

Instalațiile 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 prezența termostatului care controlează atât temperatura în încapere cât și temperatura în interiorul pardoselei – la nivelul covorașului 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.

Întreaga instalație electrică de încălzire funcționează pe principiul degajării de căldură la trecerea unui curent electric printr-un conductor. Se poate deduce astfel ca 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 viața estimata a cladirii. În plus, instalația nu conține componente în mișcare (pompe hidraulice, motoare electrice, agent termic – apa) deci, șansele ca aceasta sa se defecteze și sa se deterioreze în timp sunt reduse.

Pe lânga aceste importante avantaje oferite de sistemele electrice de încalzire prin pardoseala metoda presupune și unele dezavantaje care impun o ‘documentare’ serioasa inaintea luarii deciziei de a utiliza un astfel de sistem de încalzire a locuinței.

Cladirile care se echipeaza cu astfel de sisteme trebuie sa fie bine izolate termic – sa aiba pierderi mici de caldura. Daca cladirea nu este bine izolată și pardoseală nu poate acoperi necesarul de căldura atunci este recomandat să se adopte un sistem mixt, completând cu alte surse (radiatoare).

În ceea ce privește proiectarea, sistemul de încălzire prin pardoseală comportă calcule mai complexe față de sistemele clasice de încălzire.

Un alt dezavantaj îl constituie relativă rigiditate a sistemului care, odată executat, nu mai poate fi corectat prin adăugiri sau diminuări (lucru simplu și ușor de făcut, de exemplu, la un radiator). În plus finisajul pardoselei trebuie să rămână cel pentru care s-a elaborat proiectul (specialiștii spun, de exemplu, ca o pardoseală din gresie dacă va fi acoperită cu o mochetă emisia de caldură 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 eficiență a costurilor de alte metode de încălzire a încăperilor.

Cât consumă instalația de încălzire electrică în pardoseală ?

Răspunsul este banal de simplu: Consumul = Pierderea de căldură a casei pentru menținerea unei temperaturi dorite. Cu cât încăperea/casa are o izolație termica mai bună, cu atât energia consumată este mai redusă. Pentru o casă bine izolată se poate considera un consum mediu de ~100KWh/an/m2. Randamentul instalației este practic de 100%, iar în cazul izolării termice inferioare cu poliestiren și a unei șape de acumulare, se poate ajunge la un regim de funcționare de 25~35% din timp. Considerând prețul continuu în creștere a gazului metan și combustibililor fosili și posibila lor epuizare în viitoarele decade, soluția de încălzire electrică devine din ce în ce mai interesanta, mai ales considerând cheltuielile mult reduse de instalare și exploatare, și avantajele deja enumerate.

Contribuții personale la realizarea acestei lucrări:

-obținerea 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 ale instalației de încălzire prin pardoseală ;

-realizare a schițelor apartamentului;

-aproximarea eficienței energetice a metodei.

Bibliografie

[1] http//www tehnica. instalatilor.ro

[2] http//www scritub.com /stiinta/fizica/proiect trans caldura

[3] http//www incalzire.ucoz.ro

[4] http//www cominvest.ro

[5] http//www opalsucces.md/incalzire/articole

[6] http://en.wikipedia.org/wiki/Underfloor_heating

[7] http//www casa si design.ro

[8] http//www central.ro

[9] http//www amas.ro

[10] http//www scribd.com

[11] http//www termo.utcluj.ro/regenerabile

[12] http//www panouri radiante.ro

[13] http//www flanco.ro

[14] Manual de instalații, Ediția II, Editura ARTECNO, Bucuresti

[15] Curs Termotehnica, Ioan Caldare

[16] Utilaj termic, Angela Pleșa

[17] SR-1907-1

Anexe

Anexa2 calculul necesar caldura la apartament izolat termic

Anexa 1 calculul necesar caldura la apartament neizolat termic

Anexa3: EXTRAS DIN CATALOGUL TEHNIC A FIRMEI ELEKTRA