Ventilarea Si Climatizarea Unei Locuinte cu Consum Energetic Redus

TERMINOLOGIE

Terminologia și notațiile utilizate în această reglementare tehnică sunt în concordanță cu termenii și definițiile folosite în normele românești din domeniul de activitate:

Legea nr. 10/1995, cu modificările ulterioare și Legea nr. 372/2005, cu modificările ulterioare;

Metodologia de calcul al performanței energetice a clădirilor MC001/2006;

SR EN 12792:2004, Ventilarea în clădiri. Simboluri, terminologie și simboluri grafice;

SR EN ISO 7730:2006, Ambianțe termice moderate – Determinarea analitică și interpretarea confortului termic prin calculul indicilor PMV și PPD și specificarea criteriilor de confort termic local

SR CR 1752:2002, Instalații de ventilare în clădiri. Criterii de proiectare pentru realizarea confortului termic interior;

Alte standarde în vigoare.

O serie de termeni și definiții sunt reluați și explicați cu scopul de a clarifica mărimile, conceptele etc., la care se face referință în diferitele părți ale acestei reglementări tehnice.

LISTA PRINCIPALELOR ABREVIERI UTILIZATE ÎN LUCRARE

LISTA PRINCIPALELOR SIMBOLURI UTILIZATE ÎN LUCRARE

SIMBOLURI CU CARACTERE LATINE

SIMBOLURI CU CARACTERE GRECEȘTI

SIMBOLURI MATEMATICE

INTRODUCERE

SCOPUL LUCRĂRII

În lucrarea de față se prezintă conceptul de casă pasivă, cu ceea ce implică acest concept, punându-se accent pe ventilarea și climatizarea locuinței cu consum de energie redus, în scopul sublinierii avantajelor acesteia, în comparație cu o locuință construită conform tehnicilor și standardelor normale, actuale.

NECESITATEA LUCRĂRII

Energia este un element esențial pentru funcționarea economiei oricărei țări. Perioada în care Europa beneficia de resurse energetice (RE) sigure și ieftine a luat sfârșit, iar toți membrii UE se confruntă cu provocările ridicate de schimbările climatice, de dependența din ce în ce mai mare de importurile de energie, precum și de prețurile tot mai ridicate ale energiei.

Sectorul energetic, în care este inclus consumul casnic și terțiar, generează 80% din emisiile de gaze cu efect de seră din UE, reprezentând principala cauză a schimbărilor climatice și, în mare măsură, a poluării atmosferice. UE s-a angajat să găsească soluții de atenuare a schimbărilor climatice, în special prin reducerea volumului global al emisiilor de gaze cu efect de seră, atât în cadrul Uniunii cât și pe plan mondial, până la un nivel care să limiteze încălzirea globală la valori doar sensibil superioare celor din era preindustrială.

Studiile și analizele efectuate, apreciază o creștere a nivelului emisiilor de CO2 până în 2030 cu 5% la nivelul UE și cu 55% la nivelul planetei, dacă se continuă politicile actuale în materie de energie și transport.

Documentele UE arată că în clădirile de locuit și în cele din sectorul terțiar, se consumă aproximativ 40% din energia totală și se menționează tendința de creștere a acestuia prin utilizarea de instalații de ventilare și climatizare.

Printre măsurile cheie stabilite în documentul „O politică energetică pentru Europa”, propus de Comisia UE în ianuarie 2007, se înscrie și „îmbunătățirea rapidă a randamentului energetic al clădirilor din UE și luarea unor inițiative astfel încât casele cu consum energetic extrem de redus să devină standardul clădirilor noi”.

Cercetările orientate în direcția identificării unor strategii și mijloace de rezolvare a problemelor energetice și, mai recent, a celor de mediu arată faptul că este pe deplin posibilă obținerea unei bune calități arhitecturale, a unui mediu interior agreabil, confortabil și sănătos și a unui consum de energie redus.

În acest context, preocupările arhitectilor și inginerilor pentru reducerea consumurilor energetice în clădiri au condus la o redescoperire a principiilor de control a mediului interior prin:

forma clădirilor,

orientarea fațadei spre sud și evitarea zonelor umbrite,

formă compactă și izolație termică performantă,

ferestre eficiente din punct de vedere energetic,

prezența unui sistem pentru evitarea infiltrării aerului,

evitarea punților termice,

improspătarea aerului prin ventilație și un sistem eficient de recuperarea căldurii,

utilizarea unor surse regenerabile de energie pentru producerea curentului electric și prepararea apei calde,

utilizarea de aparate electrocasnice cu consum energetic redus,

utilizarea facultativă a încălzirii sau răcirii pasive a aerului proaspăt.

O concepție strict pasivă nu presupune nici o intervenție mecanică, dar această soluție nu este în general cea optimă, deoarece integrarea unor dispozitive mecanice și electrice este impusă chiar de funcționarea corectă a elementelor pasive. Arhitectura pasivă este deci un termen generic, utilizat pentru a defini un demers care are ca obiectiv reducerea consumurilor de energie primară pentru încălzirea, iluminatul și climatizarea unei cladiri.

Fig. 1. Eco-tehnologii integrate într-o clădire pasivă

ACTUALITATEA ÎN DOMENIU

În 1991 Wolfgang Feist și Bo Adamson au aplicat conceptul de .arhitectura pasivă la construcția unei case în Darmstat. Aceasta s-a dovedit foarte eficientă, atât din punct de vedere al consumului energetic, cât și din cel al confortului realizat la interior. Experiența s-a reluat patru ani mai târziu cu o altă clădire bazată pe aceleași concepte. Pornind de la rezultatele obținute, W. Feist a definit în 1995 conceptul de “Casă pasivă” (Passivhaus), care abordează trei aspecte esențiale:

limitarea drastică a consumurilor energetice pentru încălzire și climatizare;

realizarea unor exigențe sporite de calitate (confort termic);

definirea unei serii de sisteme pasive privilegiate.

Pe baza acestor principii au fost construite peste 10.000 de case pasive în Germania, Austria, Elveția, Belgia și în alte țări din Europa Centrală.

STADIUL CUNOAȘTERII ÎN DOMENIUL TEMATICII PROPUSE

NOȚIUNI GENERALE

În lucrare se pune accent pe ventilarea și climatizarea unei locuințe cu consum de energie redus, utilizând sistemul “puț canadian”.

Consumul energetic pentru a încălzi o casă depinde de factorii următori:

caldura pierdută în mediul înconjurător,

caldura câștigată datorită soarelui,

caldura câștigată datorită producției interne.

Rezumând, pentru a diminua consumul de energie pentru încălzire, există trei posibilități majore:

producerea de mai multă energie internă,

conservarea și diminuarea pierderilor (căldurii) în mediul înconjurător,

captarea energiei solare.

Energia internă este produsă de către locuitorii casei (metabolism), de aparatele electromenajere (aragaz, fier de calcat, computer etc), de sistemul de iluminare (becurile clasice).

Obiectivul fiind de a reduce consumul energetic, trebuie sa acționăm asupra celorlalte două posibilități: conservarea căldurii interne sau captarea căldurii externe (soarelui).

Pentru a îndeplini obiectivul „conservarea căldurii și diminuarea pierderilor” trebuie să avem în vedere izolarea pereților și a ferestrelor, într-un cuvânt, etanșeitate bună.

Automat, realizarea unei etanșeități bune, impune asigurarea unei ventilații corespunzătoare astfel încât să poată fi realizat confortul persoanelor.

Captarea căldurii este un obiectiv important în situația reducerii consumului de energie pentru încălzire, motiv pentru care, în proiectarea casei se va ține cont de:

poziționarea casei în raport cu soarele,

poziționarea, mărimea și numărul ferestrelor.

Ultimile două tehnici, teoretic pot fi independente, dar în practică ele trebuie asociate deoarece captarea căldurii solare este inutilă în condițiile etanșietății defectuase. Pe de altă parte, conservarea căldurii poate conduce la supraîncălzire în cazul în care căldura nu este captată după un calcul atent.

Caracteristicile caselor pasive

Formă compactă și izolare bună → Toate elementele de construcție opace ale anvelopei trebuie să fie bine termoizolate, coeficientul global de transfer termic k< 0,15 W/m²K;

Orientare sudică și elemente de umbrire → Utilizarea pasivă a energiei solare este un factor important în proiectarea casei pasive

Ferestre eficiente energetic → Ferestrele (tamplarie+geam) trabuie sa aiba k ≤ 0,80 W/m²K si coeficientii de absorbtie a radiatiei solare ≈ 50%.

Etanșeitatea la aer a anvelopei → Schimbul de aer prin neetanșeități trebuie să fie mai mic de 0,6 ori volumul casei pe oră.

Preîncălzirea pasivă a aerului proaspăt → Aerul proaspat poate fi aspirat prin canale subterane care schimbă căldura cu solul și preîncălzesc aerul proaspăt la o temperatură de peste 5 °C, chiar și în zilele reci de iarnă.

Recuperarea eficientă a căldurii aerului evacuat cu un schimbător de căldură aer-aer → Cea mai mare parte a căldurii sensibile din aerul evacuat este transferată aerului proaspăt admis în clădire (rata de recuperare peste 80%);

Prepararea apei calde de consum prin folosire de surse regenerabile de energie → Apa caldă de consum este preparată cu ajutorul panourilor solare sau pompelor de căldură;

Aparatura electrocasnică și de gătit, eficientă energetic → Frigidere, congelatoare, mașini de gătit, lămpi de iluminat, mașini de spalat rufe și vase cu consum redus de energie.

Încercările începute în 1990 în Germania, cu scopul de a găsi o soluție tehnică optimă pentru a construi case cu consum de energie redus, au fost continuate și în cei 10 ani ce au urmat, având rezultatul final, certificatul “PassivHaus”.

Aceste case depind de un sistem activ pentru funcționarea lor. Sunt utilizate sisteme de ventilare mecanică sofisticate cu dublu flux și schimbător de căldură, în scopul de a rezolva problema pierderilor termice datorate ventilării.

Fig.2. Casă pasivă cu ventilare mecanică (VMC) și puț canadian.

Consumul de energie pentru o locuință cu consum energetic redus

Locuința cu consum energetic redus sau casa pasivă, este o clădire care trebuie să asigure confortul interior atât în perioada de iarnă, cât și în perioada de vară, cu consumuri reduse de energie. Principalele criterii de calitate pentru casa pasivă au fost definite de Institutul Passivhaus din Darmstadt (Dr. Wolfgang Feist), după cum urmează:

consumul anual pentru încălzire nu trebuie să depășească valoarea de 15 kWh/m2 an;

consumul total de energie primară pentru toți consumatorii din locuință (încălzire, apă caldă menajeră, ventilație, pompe, iluminat, gătit și aparate casnice) nu trebuie să depășească valoarea de 120 kWh/m2 an;

temperatura interioară nu va cobori sub 20 °C în timpul iernii, iar în timpul verii va fi menținută sub 26 °C;

testul de etanșeitate (la 50 Pa) a anvelopei casei, realizat după normele EN 13829, trebuie să indice un schimb de aer de maxim 0,6 h-1;

valorile necesarului de energie se calculează cu programul de calcul întocmit de Passivhaus Institut : « Passive Hause Planning Package » (PHPP).

Pornind de la aceste limitări, eventualele consumuri suplimentare de energie pot fi acoperite cu surse regenerabile de energie.

Toate acestea înseamnă că întregul consum energetic al unei case pasive este mai puțin de un sfert din energia consumată de o clădire nouă care satisface reglementarile naționale în vigoare, și mai puțin decat energia electrică și de preparare a apei calde menajere într-o clădire nouă, medie din Europa.

Pe de altă parte, conceperea unei soluții pentru “Casa cu consum energetic redus” trebuie să fie adaptată condițiilor climatice și geografice specifice amplasamentului. Mai ales detaliile privind izolația clădirii, ferestrele și ventilarea nu pot fi aceleași în oricare parte de pe glob s-ar afla amplasamentul.

Ventilația locuinței cu consum energetic redus

Casa pasivă în Romania trebuie concepută în sensul « conservării energiei » iar în funcție de caracteristicile locului de construcție se va ține cont de câteva elemente suplimentare cum ar fi orientarea ferestrelor sau protecția lor în perioadele estivale.

O locuință cu consum energetic redus implică:

etanșeitate perfectă;

ranforsarea izolației (35cm-40cm), izolație plasată în așa fel încât să reducă la maxim podurile termice

ferestre triplu vitraj (și profilul, nu doar sticla, să respecsă respecte U<0,8 w/m2k)

reciclarea caloriilor din aer cu ajutorul unei VMC (ventilare mecanică controlată) cu flux dublu și schimbator de căldură + puț canadian.

Toate etapele precedente conduc în final, la realizarea unei cutii izoterme. Pentru a realiza confortul conform standardelor în vigoare, este necesară ventilarea casei, evitând pierderile calorice adunate prin aportul intern (căldura corpului, căldura aparatelor menajere, etc).

O soluție este folosirea ventilării mecanice controlate (VMC) cu flux dublu și schimbător de caldură performant, plus puț canadian.

Fig.3. Ventilare mecanică controlată (VMC) dublu flux.

Alimentarea cu aer proaspat este asigurată prin ventilare mecanică controlată (VMC) în flux dublu. Alimentarea și evacuarea mecanică permite optimizarea ventilației în funcție de necesități, independent de condițiile climatice exterioare.

Ventilația va insufla aerul proaspat în zona de locuit (living, birou, dormitoare) și va aspira din zona bucătăriei și băilor, aerul uzat încărcat cu noxe și umiditate. Pentru a reduce pierderile de căldură prin ventilare, casa pasivă va fi în mod obligatoriu echipată cu un recuperator de caldură (sistem dublu flux). Rata de recuperare a schimbătorului de căldură trebuie să fie ≥80%. Pentru a se respecta obiectivele eficienței energetice este obligatoriu ca energia necesară ventilării să fie < 0 4 Wh/m3 de aer circulat.

Fig. 4. Sistem de ventilare „dublu flux” amplasat într-o casă.

Pentru a controla sensul mișcării aerului, alimentarea cu aer proaspăt se va face în încăperile „uscate” (sufragerie, dormitoare) în timp ce evacuarea aerului viciat se va efectua acolo unde poluarea aerului este mai importantă, adică în zonele „umede” (bucătărie, baie, wc) sau de serviciu (holuri). Între încăperile cu dispozitive de introducere și cele cu dispozitive de evacuare, aerul circulă prin intermediul „deschiderilor de transfer” poziționate la nivelul ușilor sau pereților.

Diferența de presiune între zonele „uscate” care se află în suprapresiune și zonele umede (în depresiune) asigură un debit de aer permanent în sensul dorit de circulație al aerului. Se evită astfel ca mirosurile neplăcute să fie preluate din bucătărie sau din baie, către sufragerie sau dormitoare.

Fig. 5. Realizarea unui sistem de ventilare „dublu flux”.

Se propune recuperarea de căldură plecând de la sistemul de ventilare „dublu flux” (fig. 6). Randamentul dispozitivului de recuperare a căldurii trebuie să fie cuprins între 75…95%.

Fig. 6. Schema de principiu pentru ventilare mecanică „dublu flux” cu recuperare de căldură.

Recuperatorul de căldură recomandat este de tip schimbător de căldură cu plăci (schimbător de căldură în contracurent) – prezentat în figura 7.

Fig. 7. Exemplu de recuperator de căldură în plăci.

Într-o casă obișnuită, pierderea de căldură datorată ventilării poate atinge valori de 20…30 kWh/m2 an. Într-o casă pasivă, datorită recuperării de entalpie, pierderea de căldură atinge valori mult mai reduse (2…7 Kwh/m2,an).

Debitul de aer de ventilare trebuie să asigure la nivelul întregii construcții 0,5 h-1 schimburi de aer.

Conductele de aer prin care aerul circulă în interiorul casei vor fi izolate corespunzător astfel încât să se reducă la maxim pierderile de căldură și nivelul de zgomot (între 6-10 cm de izolație).

În situația de vară când nu se mai pune problema recuperării de căldură se poate introduce un by-pass (fig. 6).

Sistemul propus permite refularea unui aer la o temperatura de 20°C în condițiile în care aerul interior este la 22°C iar aerul exterior la -10°C.

De asemenea, acest sistem poate fi cuplat cu sistemul de încălzire și apă caldă menajeră sau cu sistemul de „PUȚ CANADIAN” folosit în principal pentru răcire pasivă, așa cum este explicat mai jos.

Sistem de încălzire și producere apă caldă menajeră (a.c.m.)

Necesarul de energie pentru încălzire al unei case pasive este extrem de redus în comparație cu construcțiile obișnuite. Din acest motiv soluțiile de sisteme clasice de încălzire nu pot fi luate în considerare. Se prezintă mai jos soluțiile reținute în vederea asigurării încălzirii și producerii de a.c.m. pentru casa pasivă.

– producere a.c.m.: soluția propusă constă în utilizarea de panouri solare cu un aport, dacă este necesar, de la sistemul de încălzire;

– panouri solare și gaz: a.c.m. este preîncălzită prin intermediul panourilor solare, iar sursa auxuliară de energie poate fi constituită de un mic cazan în condensație (microcentrala) de maxim 15 kW, funcționând pe gaz natural. Microcentrala poate fi racordată la boiler (randament înalt) sau la sistemul de ventilare pentru a încălzi aerul refulat în casă (randament de funcționare scăzut în acest caz). Se face observația ca o astfel de soluție este viabilă mai degraba în cazul mai multor case care ar fi deservite de acest tip de sistem (minim 5 consumatori).

– panouri solare și pompa de căldură aer/apă: soluție compactă ce combină producția de a.c.m., ventilarea și încălzirea (preîncălzirea aerului refulat). Principiul de funcționare este următorul:

pompa de căldură este cuplată cu sistemul de ventilare cu recuperare de căldură explicat mai sus;

pompa de caldură transferă căldura reziduală din aerul viciat către rezervorul de a.c.m.;

un schimbător de căldură suplimentar, între a.c.m. și aerul refulat, asigură încălzirea. Se recomandă prevederea unei surse suplimentare de energie pentru situațiile în care pompa de căldură nu satisface în totalitate necesarul de încălzire și a.c.m. (panouri solare sau rezistență electrică, de preferat prima variantă).

– panouri solare și pompa de caldură aer/aer: în această situație, cele două funcții (încălzire și a.c.m) sunt distincte. Pentru a.c.m. se folosesc panourile solare care asigură încălzirea apei într-un boiler iar pentru încălzire o pompă de căldură aer/aer racordată la sistemul de ventilare cu recuperare de căldură. Aceasta va transfera căldura reziduală din aerul viciat direct aerului refulat în casă în loc de a comunica cu boilerul de a.c.m. ca în situația precedentă.

– panouri solare și pompa de căldură sol/apă: în această situație pompa de căldură va „extrage” căldura din sol (prin sonde verticale) și o va transfera unui boiler bivalent alimentat și de panouri solare. Boilerul bivalent va produce a.c.m. și agentul termic necesar pentru un sistem de pardoseală radiantă (încălzire în pardoseală). În aceste condiții se dispune de sisteme separate de încălzire și ventilare. Avantajul sistemului consta în posibilitatea utilizării și ca răcire pasivă pe perioada estivală a pardoselii radiante.

Fig. 8. Sistem de încălzire/răcire cu pompa de căldură sol/apă și pardoseală radiantă.

Indiferent de soluția reținută, toate conductele de a.c.m. vor fi izolate pentru a reduce pierderile de căldură (grosimea izolație: aproximativ jumatate din diametrul conductei).

SISTEMUL DE CLIMATIZARE DE TIP “PUȚ CANADIAN”

Descrierea sistemului

În afara variantei de răcire pasivă în cazul folosirii sistemului cu pompă de căldură sol/apa și încălzire în pardoseală, se propune și studierea eficacității sistemului bazat pe tehnica de tip „PUT CANADIAN” care poate fi cuplat la sistemul de ventilare. Avantajul acestui sistem constă în faptul că poate fi utilizat și iarna pentru preîncălzirea aerului de ventilare.

Solul la 2 metri adâncime prezintă o temperatură practic constantă tot timpul anului, variațiile fiind între 13…15°C în funcție de sezon, în timp ce temperatura aerului exterior poate varia de la -15°C la +35°C în majoritatea regiunilor din țară. „Puțul canadian” exploatează această temperatură constantă: aerul, în loc să fie preluat direct din exterior, va circula într-un canal îngropat, în contact cu solul pentru a avea loc un transfer de căldură.

Principiul de funcționare constă astfel, în a vehicula aerul în conducte îngropate înainte de a fi introdus în clădiri (figura 9):

Iarna, temperatura solului este mai ridicată decât temperatura aerului, deci aerul rece este preîncălzit în momentul trecerii sale prin conductele îngropate;

Vara, temperatura solului este mai coborâtă decât cea a aerului, de această dată aerul este răcit în momentul trecerii sale prin conductele îngropate;

Primăvara și toamna, sistemul cu „puț canadian” prezintă mai puțin interes deoarece temperatura aerului se apropie de cea de confort, cuprinsă între 18 și 22°C. Sistemul va fi deconectat dacă este nevoie prin intermediul unui by-pass pentru a nu se ajunge la un efect „invers” în aceste perioade.

Dimensionarea sistemului cu puț canadian trebuie corelată cu sistemul de ventilare al casei. Dimensionarea trebuie să țină cont de parametrii următori:

debit de aer necesar,

lungime (de regula între 40…50 m);

diametru (de regula 20 cm);

viteza de curgere a aerului (maxim 3 m/s);

caracteristici sol (nisipos, argilos, prezența pânzei de apa freatică care îmbunătățește schimbul de căldură, etc.);

adâncime (în general este necesară o adâncime de minim 1,5 m).

Fig. 9. Schema de principiu a sistemului de tip „PUȚ CANADIAN”

Fig.10. Schema de funcționare a unui sistem de puțuri canadiene în timpul verii.

Evoluția aerului la trecerea printr-un sistem de tip “Puț Canadian” într-o iarnă, este redată în figura 11.

Fig. 11. Evoluția temperaturilor la intrarea și ieșirea unui sistem de tip „Puț Canadian”, iarna.

Deoarece temperatura aerului iarna este foarte scăzută, sistemul “puț canadian” trebuie combinat cu un recuperator de căldură care, în vară va fi ocolit.

Sistemul de tip “PUȚ CANADIAN” are avantaje evidente față de ventilarea mecanică controlată (VMC) cu recuperator de căldură prezentat în figura 12.

Fig. 12. Sistemul de tip „Puț Canadian” combinat cu recuperator de căldură.

Fig. 13. Evoluția temperaturilor extreme și medii, zilnice.

Proprietățile termice ale pământului

Schimbul de căldură între aer și pământ depinde direct de proprietățile termice ale acestuia.

Caracteristicile principale care influențează schimbul de căldură aer-pământ sunt:

conductibilitatea l,

căldura specifică cp,

temperatura pământului.

Principalele proprietăți termice ale pământului sunt condiționate de structura lui și variază, pentru același tip de pământ funcție de umiditatea acestuia. Aceste caracteristici sunt prezentate în tabelele 1 și 2, din Anexa 1.

Temperatura pământului este variabilă atât în timp cât și în spațiu și variația ei depinde de diverși factori precum condițiile meteorologice, vegetația, etc.

Radiația solară ce atinge suprafața pământului are două componente:

radiația solară directă, transmisă prin atmosferă;

radiația solară difuză, reflectată de atmosferă.

Radiația globală este parția reflectată de pământ, în funcție de înclinarea, natura, culoarea și de rugozitatea suprafeței.

Coeficientul de reflexie a, al pământului, variază:

de la 0,10 la 0,30 pentru câmpii și prerii;

de la 0,05 la 0,20 pentru păduri;

de la 0,15 la 0,4 pentru un pământ gol;

poate atinge 0,95 pentru zăpada proaspăță care este puternic reflectorizantă.

Se estimează că, în medie, 46% din energia solară care ajunge în atmosfera terestră, este absorbită de pământ.

Fig. 14. Energia solară absorbită de pământ.

Temperatura pământului la o adâncime de 2 m, este aproximativ de 17 oC în timpul verii și de 4 oC în timpul iernii (figura 15)

Fig. 15. Temperatura pământului de-a lungul unui an la diferite adâncimi.

Amplasarea conductelor de aer în cazul sistemului de tip “PUȚ CANADIAN”

Sistemul prezentat în figura 10 poate avea diverse forme de realizare funcție de debitul de aer ce trebuie vehiculat.

În situația în care debitul de aer ce poate fi vehiculat printr-o conductă nu este suficient pentru clădirea ventilată, se poate mări numărul de conducte, păstrând o distanță de aproximativ 1,5 m între ele.

În figura 16, sunt prezentate posibilitățile de amplasare ale conductelor, într-un sistem de tip “PUȚ CANADIAN”.

Fig. 16. Posibilitățile de amplasare ale conductelor, într-un sistem de tip “PUȚ CANADIAN”.

sistem cu conductă dreaptă.

sistem cu o serpentină cu intrarea și ieșirea prin centru cu lungime diferită a circuitelor.

sistem cu o serpentină cu circulație inelară cu lungime egală a circuitelor.

sistem cu o conductă ce înconjoară locuința.

sistem cu două conducte ce înconjoară locuința.

În cazul țării noastre când temperaturile aerului exterior, sunt excesiv de ridicate (tc>32oC și fc>50%), la trecerea aerului prin sistemul de tip “PUȚ CANADIAN”, în interiorul conductei se atinge temperatura punctului de rouă și se produce condens.

În figura 17 sunt prezentate posibilitățile de eliminarea condensului.

Fig. 17. Posibilitățile de eliminarea condensului în cazul sistemului de tip “PUȚ CANADIAN”.

Cu ajutorul unui sifon plasat în interiorul locuinței unde va fi prevăzută o instalație de scurgere pentru sifon

Într-un spațiu de vizitare plasat la cel mai jos nivel;

Prin amplasarea conductei pe un strat de pietriș care să permită infiltrarea condensului în sol.

Pentru eleiminarea condensului conducta sistemului va avea o pantă de 2 – 3 % spre zona în care se realizează evacuarea condensului.

SITUAȚIA PE PLAN NAȚIONAL ȘI INTERNAȚIONAL ÎN DOMENIUL TEMATICII PROPUSE

Conform unei lucrări realizate de “Institutul de studii și proiectări energetice”, prezentate pe 27 august 2009, în localitatea Agigea, situația actuală privind locuințele cu consum de energie redus, în Uniunea Europeană, este:

Case pasive adecvate condițiilor climatice din Europa

GERMANIA – 6000 case pasive

Casă nouă, unifamilială Leipzig

•Suprafața totală 146 m2;

•Tipul construcției zidărie

•Anul construcției 2006

•Valori ale lui k 0,112 W/m2K – pereți exteriori

0,169 W/ m2K – podea

0,089 W/ m2K – acoperiș

0,800 W/ m2K – cadru ferestre

0,600 W/ m2K – sticlă ferestre

1,000 W/ m2K – ușa intrare

•Consum de caldură anual 11 kWh/m2an – pentru încălzire

80 kWh/m2an – încălzire, apă caldă și energie electrică

AUSTRIA

Bloc nou, 39 apartamente – Viena

•Suprafața totală 2986 m2;

•Tipul construcției zidărie

•Anul construcției 2006

•Valori ale lui k 0,12 W/m2K – pereți exteriori

0,12 W/ m2K – podea

0,10 W/ m2K – acoperiș

0,91 W/ m2K – cadru ferestre

0,52 W/ m2K – sticlă ferestre

1,26 W/ m2K – ușa intrare

•Consum de caldură anual 15 kWh/m2an – pentru încălzire

111 kWh/m2an – încălzire, apă caldă și energie electrică

În SONNENPLATZ AUSTRIA a fost construit primul sat cu case pasive, din Europa:

Etapa I – 2006-2007 – 5 case pasive

Etapa II – 2008-2010 – 15 case pasive

OLANDA

Casă nouă cu acoperiș terasă – Sliedrecht

•Suprafața totală 125,4 m2;

•Tipul construcției zidărie

•Anul construcției 2006

•Valori ale lui k 0,116 W/m2K – pereți exteriori

0,116 W/m2K – podea

0,116 W/m2K – acoperiș

0,800 W/m2K – cadru ferestre

0,600 W/m2K – sticlă ferestre

0,930 W/m2K – ușa intrare

•Consum de caldură anual 15 kWh/m2an – pentru încălzire

101 kWh/m2an – încălzire, apă caldă și energie electrică

NORVEGIA

Casa noua, unifamiliala, cu 2 apartamente – Sørumsand

•Suprafața totală 340 m2;

•Tipul construcției lemn

•Anul construcției 2007

•Valori ale lui k 0,109 W/m2K – pereți exteriori

0,082 W/m2K – podea

102 W/m2K – acoperiș

0,765 W/m2K – cadru ferestre

0,550 W/m2K – sticlă ferestre

0,750 W/m2K – ușa intrare

•Consum de caldură anual 14 kWh/m2an – pentru încălzire

85 kWh/m2an – încălzire, apă caldă și energie electrică

SUEDIA

Casa nouă, multifamilială, cu 20 apartamente – Bildal Göteborg

•Suprafața totală 2635 m2;

•Tipul construcției lemn

•Anul construcției 2007

•Valori ale lui k 0,008 W/m2K – pereți exteriori

0,009 W/m2K – podea

0,007 W/m2K – acoperiș

0,700 W/m2K – cadru ferestre

•Consum de căldură anual 12,4 kWh/m2an – pentru încălzire

Case pasive adecvate condițiilor climatice din România

Prima casa pasivă construita în 2004 în România, a fost certificată la Institutul de case pasive din Darmstadt – Germania.

Proiectată în anul 2003 de specialiști români, casa se află în satul Burluși, comuna Ciofringeni, județul Argeș.

Fig. 18. Prima casă pasivă construita în 2004 în România, certificată la Institutul de case pasive din Darmstadt – Germania

Fig. 19. Certificatul acordat de către Institutul de case pasive din Darmstadt – Germania

ANALIZA CRITICĂ A STADIULUI ACTUAL

Fig. 20. Pierderi de căldură la o casă construită cu tehnici clasice.

OBIECTIVELE CERCETĂRII

În această lucrare se studiază conceptul de “casă pasivă” (locuință cu consum de energie redus), cu ceea ce implică acest concept, punându-se accent pe ventilarea și climatizarea locuinței utilizănd sistemul de tip “PUȚ CANADIAN”.

Obiectivele principale ale lucrării:

Prezentarea sistemului de tip „PUȚ CANADIAN” conceput pentru climatizarea (răcirea/încălzirea aerului proaspat introdus în clădiri) locuințeor cu consum de energie redus, utilizând căldura și inerția termică a pământului.

Dimensionarea sistemului de tip „PUȚ CANADIAN”.

Prezentarea unei locuințe cu consum de energie redus, dotată cu sistem de climatizare de tip „PUȚ CANADIAN”.

CONCLUZII PARȚIALE

Argumente în favoarea construirii de case pasive

Vă prezentăm în continuare câteva argumente care va pot determina să luați o decizie înțeleaptă și să investiți cu folos banii pentru construirea casei dumneavoastră:

Argument economic

Când e vorba de construit casa pasivă se pune în primul rând această întrebare: este aceasta cu mult mai scumpă decât o casă clasică? Experiența germană și austriacă în domeniul construcțiilor de case pasive arată că acestea nu sunt cu mult mai scumpe decât o casă convențională.

Pe de o parte, există niște costuri suplimentare (termoizolație în plus, rame termoizolate pentru ferestre, geam triplu, sistemul de ventilație special și implementarea etanșării perfecte a anvelopei locuinței), care de fapt sunt compensate de economiile obținute prin eliminarea sistemului de încălzire. Pe de altă parte, costul facturii la energie va fi de 5 (cinci) până la 10 (zece) ori mai mic decât la o casă convențională.

Germanii și austriecii construiesc case pasive cu costuri de numai 0-15% mai mari în comparație cu o casă convențională, în funcție de complexitatea design-ului locuinței. Dacă însă comparăm aceste costuri cu beneficiile unui consum foarte redus de energie (electrică) ulterior, avantajul este net în favoarea casei pasive.

La acestea ar trebui să adăugăm și alte avantale vitale, cum ar fi:

reducerea substanțială a emisiilor de carbon,

confortul excepțional dat de aerul permanent proaspăt din casă,

lipsa dușumelelor și a pereților reci iarna,

lipsa excesului de căldură vara,

lipsa prafului generator de alergii, etc.

Un alt avantaj incontestabil al construirii unei case pasive independente energetic este calitatea materialelor, lipsa condensului și igrasiei, factori care prelungesc durata de viață a construcției cu câteva zeci de ani comparativ cu o locuință clasică. Este dificil de cuantificat acești factori, dar este evident că au un un impact important în viața celor ce locuiesc într-o casă pasivă.

Argumente în favoarea utilizării sistemul de climatizare de tip “PUȚ CANADIAN”

economie de energie;

zgomot redus;

aerul respirat este natural

durată de viață foarte mare datorită materialelor utilizate (aproximativ 100 ani)

tehnologie cu eficiență mărită atăt vara cât și iarna, etc

METODICA DE CALCUL

RECOMANDĂRI PRIVIND DIMENSIONAREA UNUI SISTEM DE TIP “PUȚ CANADIAN”

Pentru dimensionarea unui sistem de tip “PUȚ CANADIAN” există câteva recomandări și anume:

În principiu, raportul dintre volumul și suprafața laterală a conductei trebuie să aibă o valoare mai mică de 6. În caz contrar, datorită diametrului mare al conductei, contactul între aer și suprafața laterală a conductei, ar fi prea mic și aerul nu s-ar încălzi/răci suficient.

Conducta trebuie să fie netedă la interior deoarece rugozitățile ar crea turbulențe și pierderea de sarcină în sistem, ar crește.

Etanșeitatea conductei este foarte importantă pentru evitarea infiltrării apelor subterane precum și pentru evitarea apariției radonului în interiorul locuinței.

Trebuie să se acorde o atenție deosebită racordurilor între diferitele tipuri de conducte. Racordurile nu se vor lipi cu adezivi pentru a se evita riscul ruperii dar și pentru a înlătura posibilitatea degajării vaporilor nocivi rezultați din folosirea adezivilor.

Diametrul conductelor să fie între 200 – 250 mm și lungimea acestora să fie de minim 25 – 30 m.

Pentru un transfer de căldură optim, trebuie ca viteza de trecere a aerului prin conducte, să fie cuprinsă între 0,5 și 3,5 m/s. Pentru vehicularea unor debite de aer, mai mari, se recomandă o viteză de circulație de ordinul a 2,5 – 3 m/s.

Pe priza de aer se va monta un filtru de aer, rame cu jaluzele fixe oblice pentru a împiedica pătrunderea ploii și un grilaj pentru a împiedica pătrunderea obiectelor străine.

METODICA DE CALCUL A UNUI SISTEM DE TIP “PUȚ CANADIAN”

Randamentul termic al unui sistem este definit ca fiind raportul dintre diferența de temperatură efectiv realizată și diferența maximă de temperatură care s-ar putea realiza.

(3.1)

în care:

Tl – temperatura aerului exterior ce intra în sistem

T2 – temperatura aerului la ieșirea din sistem

TS – temperatura pământului

În fig. 21. se observă că randamentul unui sistem de tip "PUȚ CANADIAN" diferă în funcție de diametrul conductei, de lungimea acesteia, precum și de viteza de circulație a aerului prin conducte.

Fig. 21. Randamentul termic al unui sistem de tip „PUȚ CANADIAN” în funcție de:

diametrul conductei;

lungimea conductei;

viteza de circulație a aerului prin conductă.

Datorită acumulării inerțiale, amplitudinea oscilației de temperatură se amortizează exponențial în funcție de raportul dintre suprafața de schimb S și debitul de aer L:

intrare

(3.2)

ieșire

(3.3)

Coeficientul de amortizare h, care determină dimensionarea, rezultă din cuplajul în serie între coeficientul de schimb convectiv aa (schimb aer/tub) și coeficientul de difuziune în sol as (schimb tub/pământ):

(3.4)

Coeficientul de schimb de căldură prin convecție aa se poate determina cu relația:

(3.5)

Pentru mărirea diferenței de temperatura obțmută la trecerea printr-un sistem de tip “PUȚ CANADIAN”, în situația de vară- se poate monta la intrarea aerului în sistemul de conducte, o cameră de umidificare cu umplutură, care lucrează în regim adiabatic (figura 22).

Fig. 22. Sistemul de răcire și purificare a aerului proaspăt, cu ajutorul energiei geotermale.

Sistemul propus în figura 22, se compune dintr-o cameră de pulverizare în regim adiabatic, CT, având o priză de aer 7, un filtru de aer 6, o cameră de umplutură 1, un sistem de duze de pulverizare 2, o pompă de circulație 3, un sorb 4, un bazin de apă 8, un robinet de golire 9, un sistem de conducte amplasate în sol PC și un ventilator de vehiculare al aerului V.

Fig. 23. Procesul de tratare al aerului, în sistem.

Sistemu funcționează astfel:

Aerul exterior pătrunde în camera de tratare. CT, printr-o priză de aer 6, este filtrat printr-un filtru 7 apoi este trecut printr-un material de umplutură1, care este continuu umidificat de un sistem de duze 2, cu ajutorul unei pompe care preia apa de pulverizare printr-un sorb 4, dintr-un bazin de apă 8.

La trecerea prin corpul de umplutură aerul exterior, cald, preia o cantitate de vapori de apă, se răcește prin cedarea căldurii latente de evaporare și se umidifică (procesul Ev=U, figura 23), după care este introdus în sistemul de conducte, amplasate în sol PC, unde aerul se răcește datorită temperaturii coborâte a solului și se usucă prin condensarea vaporilor de apă pe suprafața interioară a conductelor (procesul U-F, figura 23).

Deoarece capacitatea de răcire a pământului este aproximativ constantă, diferența de temperatură care se obține la trecerea aerului prin conducta din sol, la o anumită viteză a curentului de aer este aproximativ constantă astfel ca la temperaturi ridicate ale aerului exterior temperatura finală a aerului va fi mai mare. Utilizând invenția propusă se reduce temperatura aerului proaspăt la trecerea prin camera de tratare, prin răcire evaporativă și în consecință va reduce și temperatura finală a aerului tratat.

Avantajele invenției propuse sunt:

răcirea mai puternică a aerului vehiculat;

reducerea conținutului de praf fin;

economie de energie pentru răcirea încăperilor vara;

reducerea poluării mediului înconjurător.

Dezavantajele invenției sunt:

creșterea ușoară a consumului de energie datorită pompei de recirculare a apei de umidificare a materialului de umplutură;

creșterea debitului de apă condensată în conductă.

EXEMPLU DE CALCUL

Să se dimensioneze un sistem de tip “Puț canadian” pentru un debit de 1000 m3/h.

Calculul numărului de conducte

Puțul canadian se va dimensiona ținând cont de recomandările menționate mai sus în subcapitolul 3.1.

Varianta 1:

Diametrul conductei de PVC montată în pământ – 200 mm;

Secțiunea conductei PVC montată în pământ – S1=0,0314 m2;

Viteza de circulație a aerului prin conductă – 3 m/s.

Debitul de aer vehiculat printr-o conductă este:

(3.6)

Se constată că debitul de aer maxim ce poate fi vehiculat printr-o conductă este mult mai mic decât debitul de aer dorit de 1000 m3/h.

Pentru mărirea debitului de aer se adoptă soluția cu conductele paralele. Numărul de conducte necesar în situația de față, este:

(3.7)

Se vor amplasa 3 conducte în paralel, cu diametrul de 200 mm și o lungime de 36 m.

Varianta 2:

Dacă s-ar utiliza:

Diametrul conductei de PVC montată în pământ – 250 mm;

Secțiunea conductei PVC montată în pământ – S2=0,04906 m2;

Viteza de circulație a aerului prin conductă – 3 m/s.

Debitul de aer vehiculat printr-o conductă este:

(3.8)

Se constată că debitul de aer maxim ce poate fi vehiculat prin conducta cu diametru de 250 mm, este mai mic decât debitul de aer dorit de 1000 m3/h dar destul de mare față de varianta anterior calculată.

Numărul de conducte necesar în acest caz, este:

(3.9)

Se vor amplasa 2 conducte în paralel, cu diametrul de 250 mm.

Determinarea randamentului de transfer termic și a temperaturii de refulare în situația de vară

Considerând o temperatură a solului de 17 oC la adâncimea de 1,75 m și o temperatură a aerului exterior de 35 oC, temperatura de refulare a aerului vehiculat prin puțul canadian, va fi:

(3.10)

Adâncimea de îngropare a conductei va fi de 1,75 m. Pentru această adâncime de îngropare la un diametru de 200 mm și o viteză a aerului de 3 m/s se obține un randament de 80% pentru o lungime a conductelor de 36 m.

Temperatura de refulare va fi:

(3.11)

Dacă s-ar utiliza o conductă cu diametrul de 250 mm, randamentul de transfer termic ar fi de aproximativ 70%

Temperatura de refulare va fi:

(3.12)

În situația a două conducte în paralel, energia ce poate fi transportată, va fi:

(3.13)

Diametrul conductei de PVC montată în pământ – 200 mm:

(3.14)

Diametrul conductei de PVC montată în pământ – 250 mm:

(3.15)

În concluzie, în urma calculelor efectuate, se va alege varianta cu două conducte montate în paralel, având diametrul de 250 mm.

CONCLUZII PARȚIALE

Sistemul de ventilare de tip “PUȚ CANADIAN” este un sistem care are perspective deosebite de dezvoltare în domeniul în care a fost proiectat (ventilarea locuințelor cu consum de energie redus).

Din studiile efectuate de către specialiștii și cercetătorii din domeniu, s-a constatat că eficiența acestui tip de sistem de ventilare este maximă dacă este realizat odată cu locuința.

Sistemul poate fi utilizat și în clădirile mari, în special pentru introducerea aerului proaspăt, cu condiția ca să existe spații suficiente pentru amplasarea conductelor necesare realizării debitului de aer proaspăt.

ANEXE

Tabelul 1

Anexa 2 – …….

Tabelul 2

Bibliografie

A. Guerriat – „La maison passive. Introduction pour les architectes et les futurs maitres d’ouvrages”, G. Doneux et Fils, Belgia, 2007.

W. Feist – „Recommendation for Inside Air Humidity in Winter, in Homes with Ventilation Systems, Particularly Passive Homes”, Passivhaus Institut, Darmstadt, Germania, 2000.

G. Makaka, E. L. Meyer, M. McPherson – “Thermal behaviour and ventilation efficiency of a low-cost passive solar energy efficient house”, Renewable Energy, vol. 33-9, 2008, pag. 1959-1973.

S. Thiers, B. Peuportier – “Thermal and environmental assessment of a passive building equipped with an earth-to-air heat exchanger in France”, Solar Energy, vol. 82-9, 2008, pag. 820-831.

V. Badescu – „Economic aspects of using ground thermal energy for passive house heating”, Renewable Energy, vol. 32-6, 2007, pag. 895-903