Vlad-Ștefan POPOVICI PROIECT DE DIPLOMĂ [308601]

Universitatea POLITEHNICA din București

Facultatea de Inginerie Electrică

PROIECT DE DIPLOMĂ

Studiul posibilităților de proiectare și optimizare a necesarului termic și de energie electrică într-o locuință pasivă și/sau autonomă inteligentă

Autor: Vlad-Ștefan POPOVICI

Conducător științific: Profesor Octavian Mihai GHIȚĂ

BUCUREȘTI

2020

Cuprins

CAPITOLUL 1. Introducere. Stadiu actual în domeniu 4

Introducere 4

O scurtă istorie a caselor inteligente 5

Tehnologia ZigBee 7

Tehnologia Z-Wave 11

Diferențe dintre Z-Wave, ZigBee și alte protocoale de comunicație 14

Conceptul de casă inteligentă din ultimii ani 15

Legătura dintre tehnologiile de automatizare ale caselor inteligente și casele pasive și/sau autonome 19

CAPITOLUL 2. Arhitectura generală a unei case pasive și/[anonimizat] a sistemului de achiziții de date 21

2.1.1 Proiectarea unei case pasive și/sau autonome inteligente 21

2.1.2 Înclinația acoperișului 26

2.1.3 Pierderea de energie prin ferestre 28

2.1.4 Termoizolația 28

2.1.5 Ventilația cu recuperare de căldură 28

2.1.6 Sistemul de încălzire și sistemul de răcire al casei 29

2.1.7 Principiul de funcționare al instalației 31

2.1.8 [anonimizat]

33

2.2. Arhitectura sistemului de achiziții de date pentru o locuință pasivă și/sau

autonomă inteligentă 36

CAPITOLUL 3. Structura sistemului de calcul 39

CAPITOLUL 4. Simularea sistemului 43

CAPITOLUL 5. Optimizarea sistemului 58

CONCLUZII 60

ANEXE 64

BIBLIOGRAFIE 77

CAPITOLUL 1. Stadiu actual în domeniu

1.1 Introducere

Având în vedere că trăim în timpul celei de a [anonimizat] -, conceptul de „casă inteligentă”, sau „smart home”, după denumirea din limba engleză, este tot mai prezent în viața noastră de zi cu zi.

Fiind mereu conectați la internet, având ocazia să accesăm milioane de site-uri și informații în fiecare secundă, direct de pe smartphone-ul nostru, de pe o tabletă sau de pe laptop, știința și tehnica au evoluat foarte mult în sensul automatizărilor și a controlului asupra diverselor dispozitive de la ditanță.

Însă, totodată, casele inteligente nu sunt doar case care pot comunica cu proprietarul și pot efectua niște acțiuni ca stingerea sau aprinderea unui bec. Case inteligente sunt și casele pasive sau complet autonome, care îmbină știința proiectării și a execuției unei clădiri sustenabile și prietenoase cu mediul împreună cu științe precum domotica.

Scopul controlului dispozitivelor de la distanță este cât se poate de precis: ca viața fiecăruia dintre noi să fie mai ușoară. Spre exemplu, presupunem că avem un senzor de inundație în baie, conectat la o electrovalvă ce poate dispune închiderea unui robinet, firește, conectat la o centrală și la un router wireless cu acces la internet. În cazul în care senzorul detectează o potențială amenințare (de inundație) poți fi notificat asupra acestui aspect, cu posibilitatea de a acționa în consecință: să acționezi electrovalva sau să ignori amenințarea. Totodată se poate ca senzorul de inundație să acționeze electrovalva imediat la detectarea „amenințării”. Multiple scenarii pot fi create, după dorința utilizatorului.

Acesta a fost doar un banal exemplu despre cât de utilă este această tehnologie în viața noastră de zi cu zi. „Casele inteligente” pot fi „educate” să acționeze singure, să notifice proprietarul, să îți ofere statistici, să îți ofere posibilitatea de a comanda tu măsurile care se impun și așa mai departe.

Dacă am defini acest concept, putem negreșit să spunem că o casă inteligentă este, de fapt, un ansamblu ingineresc în care fuzionează tehnologia, proiectarea, grafica și design-ul ingineresc și resursele de energie neconvenționale. Casele inteligente au rolul de a optimiza timpul, spațiul și consumul de energie, cu scopul de a ușura viața proprietarului.

Beneficiile pe care o „casă inteligentă” le aduce sunt multiple:

-monitorizează diverse date preluate de la senzori și îți oferă detalii despre diverși parametri esențiali (ex.: temperatură, umiditate, nivelul de CO2, etc)

-monitorizează consumul de energie electrică

-monitorizează randamentul fiecărui echipament conectat

-optimizează consumul de resurse (energie electrică, apă, căldură, lumină) în funcție de scenariul prestabilit

-îți oferă control de la distanță asupra dispozitivelor integrate

-asigură un grad de securitate sporit (ex.: sisteme de alarmă anti-efracție sau anti-incendiu, sisteme de supraeghere video, etc)

1.2 O scurtă istorie a caselor inteligente

Conceptul de casă inteligentă nu este o noutate absolută, ci o dorință mai veche a oamenilor de a-și simplifica viața și de a-și optimiza timpul, resursele și cheltuielile.

Putem spune că, multă vreme, casele inteligente au fost mai mult un concept, care a căpătat contur din ce în ce mai mult o dată cu evoluția cunoștințelor tehnice și tehnologice, precum și după apariția microprocesoarelor, care au condus la scăderea bruscă a prețului de achiziție pentru componentele electronice, fie că vorbim de centrale de comandă, calculatoare, micro-controllere și ala mai departe.

Un prim pas fizic important, care a dus către materializare conceptul de case inteligente pe care le percepem astăzi a fost făcut încă din anul 1961, atunci când Joel și Ruth Spira au fondat Lutron Electronics Company Inc. și au introdus pe piață primul dimmer – un dispozitiv pentru modularea luminozității.

Mai exact, Joel Spira este cel care a patentat primul dimmer, bazat pe o diodă și un autotransformator conectat, oferind șansa de a fi mascat într-o cutie electrică standard, de perete, economisind energie, dar și spațiu[1].

Fig. 1.1 Primul dimmer fabricat de Lutron Electronics Company Inc. [2]

Pasul făcut de Joel Spira este considerat a fi unul uriaș, pentru că stă la baza a numeroase aplicații ale caselor inteligente. Așa s-a ajuns la producerea scenariilor cu jocuri de lumini.

Următorul progres tehnologic semnificativ în domeniu a fost realizat abia peste încă 14 ani, când compania scoțiană Pico Electronics a reușit, în anul 1975, să dezvolte un prim standard de comunicație și transmitere a semnalelor din interiorul unei case sau locuințe.

Standarul X10 nu este foarte stufos, dar a fost revoluționar la vremea respectivă, oferind posibilitatea de a da comenzi precum: „on”, „off”, „all lights on”, „dim” și „all units off”.

Standardul tehnologic X10 reprezintă, de fapt, un protocol de comunicație care și astăzi este extrem de răspândit în întreaga lume, deoarece alternativele sunt mult mai scumpe.

Așadar, deși principiul de funcționare X10 presupune utilizarea cablului de alimentare pentru semnalizare și control, prețul extrem de competitiv al protocolului de comunicații X10 reprezintă chiar și astăzi un avantaj pentru producătorii de echipamente care aleg să-l folosească. Printre producătorii renumiți, putem aminti nume importante din industrie, ca Philips, IBM, SmartLinc, Levitor, Marmitek, IBM, SmartLinc, PowerHouse, dar și altele.

De la semnale electrice, standardul X10 a reușit mai târziu să ofere posibilitatea transferului de date prin suporturi radio cu infraroșu, dar pe o rază scurtă de acțiune.

În 1984, deci 9 ani mai târziu, membrii Alianței Industriilor Electronice (AIE)[3] au observat că există o reală nevoie de noi standarde de comunicații, care să ofere mai mult decât ceea ce oferă standardul X10. Au urmat câțiva ani de zile de studiu și schimburi de idei între părțile implicate, timp în care membrii AIE au dezvoltat, de comun acord, un nou standard: CEBus, care a fost lansat abia în anul 1992. Denumirea CEBus este o variantă mai scurtă a denumirii integrale, Consumer Electronic Bus.

Deși noul standard poate face ca semnalul de control să fie controlat prin cabluri de 110W, de uz casnic, iar fiabilitatea și viteza transmisiilor de date au crescut substanțial, CEBus nu s-a bucurat de succesul predecesorului său, doarece și costurile au crescut substanțial. În prezent, standardul poate fi folosit gratuit de către orice compnie producătoare de echipamente, dar costurile ridicate de aplicare a standardului reprezintă principalul motiv pentru care acest standard nu se bucură de notorietate.

În prezent, semnalele electrice nu reprezintă neapărat cea mai dorită alegere. Și asta se întâmplă deoarece comunicațiile radio sunt mult mai îndrăgite și comfortabile, față de o legătură cablată prin care să monitorizezi un senzor sau să comanzi un consumator.

Pentru început, tehnologia Bluetooth și cea WiFi au stat la bază pentru revoluția wireless, care avea să cucerească piața dominată cândva de cablurile clasice.

Acum, în zilele noastre, vorbim despre rețele radio casnice extrem de celebre, cum ar fi tehnologia ZigBee sau Z-Wave.

1.3 Tehnologii folosite: tehnologia Zigbee

ZigBee este un protocol ce se bazează pe stardardul tehnic IEEE 802.15.4, folosit adesea în special pentru micile proiecte de automatizare a echipamentelor din casă, adică pentru echipamente de tip smart-home așa cum este perceput acest domeniu de către majoritatea utilizatorilor finali ai produsului, din publicul larg.

Din punct de vedere tehnic, standardul ZigBee e utilizat în aplicații simple, unde utilizatorul dorește doar să poată comunica cu unul sau mai mulți senzori, să interogheze starea sistemului și a senzorilor, să modifice niște parametri sau să oprească alimentarea unui echipament, de la distanță, cu ajutorul tehnologiei wireless, printr-o interfață prietenoasă pentru utilizatorul final, eventual direct de pe telefonul mobil.

Fig. 1.2 Ilustrație a principiului de funcționare a rețelei de tip plasă ZigBee [4]

Fiind folosit pentru aplicații casnice sau de monitorizare, în special, tehnologia ZigBee e folosită strict pentru spații personale, de dimensiuni mici (ex.: un apartament), fiind o rețea cu putere redusă, care are ca principal avantaj o anumită siguranță a canalelor de transmisie a datelor, precum și o durată de viață destul de îndeungată a bateriilor utilizate pentru alimentarea senzorilor compatibili cu acest standard.

Rata de transfer a datelor este de aproximativ 250 kbit/secundă, fiind ideală pentru achiziția periodică a datelor de la senzori, sau pentru transmisia unor diverse semnale.

Tehnologia promovată prin rețeaua ZigBee a fost dezvoltată de către ZigBee Alliance, un conglomerate sau o asociație, mai bine spus, cu sute de firme de renume implicate în fenomenul de timp „smart-home” cu costuri reduse.

Înființată în 2002, ZigBee Alliance a reușit să se impună pe piață și are, printre membrii asociației, organizații de renume, ca SamsungSmart Things, Comecast, Amazon sau Ikea.

Printre principalele avantaje ale ZigBee pentru utilizatorul final, se numără:

-consum redus

-echipamente accesibile din punct de vedere financiar

-interfață prietenoasă pentru utilizatorul final

-ușurința de implementare a sistemelor

-fiabilitate

-extensibilitate

-flexibilitate

-folosirea tehnologiei radio cu costuri reduse

-mentenanță ușor de realizat

Avantajele ZigBee Alliance în fața concurenților de pe piață sunt evidente:

-promovarea brandului ZigBee de către toți asociații implicați în proiect

-soluți software de integrare a tehnologiei pentru cât mai mulți utilizatori

-putere financiară de mentenanță și control a calității

-soluții de optimizare rapide

-securitatea rețelei

Fig. 1.3 Produsele ZigBee oferă interoperabilitate cu alte produse ZigBee de pe piață, dar produse de alt producător de echipamente [5]

Marele plus al tehnologiei ZigBee este fix interoperabilitatea, sau mai precis capactiatea echipamentelor unui producător de a se împerechea și de a funcționa împreună cu echipmantele propuse de un alt producător, dar dezvoltate sub standardul IEEE 802.15.4 promovat și dezvoltat de ZigBee Alliance.

Ca să înțelegem și mai bine diferența dintre interoperabilitate și coexistență, am folosit imaginile deja expuse în lucrarea prezentată la nota de subsolul numărul [5].

Fig. 1.4 Fig. 1.5

Standardul rețelelor tip ZigBee se bazează, în principal, pe trei tipuri de dispozitive:

-routere

-coordonatori

-dizpozitive terminale

Fig. 1.6 O ilustrație a componentelor unei rețele ZigBee[5]

De la coordonator pleacă întreaga rețea, deoarece acesta pornește și controlează rețeaua. Acest dispozitiv are menirea de a stoca informații și stochează diverse chei de securitate.

Routerele expandează acoperirea zonei de rețea, stabilește rute semnalului și, în caz că întâmpină obstacole pe diverse traiectorii, oferă rute de rezervă, folositoare pentru decongestionarea rețelei. În unele cazuri, router-ul poate semnala defecțiunea sau anomaliile pe care un dispozitiv (senzor) terminal le prezintă.

Dispozitivele terminale (cum ar fi senzorii) pot transmite sau pot recepționa un mesaj transmis, dar obligatoriu către un router sau coordonator. Acestea nu pot transmite un mesaj mai departe și nu pot interoga alte dispozitive.

1.4 Tehnologia Z-Wave

Z-Wave este mai curând un protocol de comunicații wireless, cel mai des utilizat fiind pentru automatizarea caselor și în alte operațiuni ce țin de domotică.

Practic, vorbim despre o rețea „tip plasă”, sau mesh network, după denumirea din limba engleză, care utilizează unde radio cu energie redusă pentru a comunica de la aparat la aparat[6].

Practic, se permite controlul de la distanță, fără fir (wireless) al aparatelor casnice și al altor dispozitive, cum ar fi controlul iluminatului, al unui sistem de securitate, termostate, ferestre, încuietori, piscine, controlul yalelor electromagnetice sau electromecanice, al ușilor de garaj, al porților batante și așa mai departe.[7]

Tehnologia Z-Wave reprezintă un protocol folosit, în general, în zonele rezidențiale, oferind o gamă largă de posibilități de controlare și monitorizare a diferitor dispositive sau mecanisme.

Fig. 1.7 Ilustrație a modului în care funcționează rețaua de tip plasă Z-Wave [8]

Protocolul Z-Wave a fost dezvoltat în anul 1999, de către compania daneză Zensys, din Copenhaga[9]. Inițial, compania a intrat pe piață cu un sistem de control al sistemului de iluminat casnic, pe baza unui sistem Z-Wave extrem de simplist de automatizare a locuinței numit SoC (System on a Chip).

Protocolul de transmisie a datelor funcționa pe o bandă de frecvență nelicențiată în jurul a 900MHz[10]. În prezent, tehnologia Z-Wave utilizează o bandă de frecvență radio situată în intervalul 800-900Mhz și poate transmite date pe unde radio până la 100 metri distanță, când nu sunt întâmpinate o serie mai lungă de obstacole care pot bruia sau întrerupe semnalul dintre două terminale ce comunică între ele.

Pe modelul ZigBee Alliance, a fost înființată cu același scop și Z-Wave Alliance, în anul 2005, când un consorțiu de companii cu putere financiară, interesate să investească în sectorul dedicat caselor inteligente și al automatizărilor s-au reunit sub noua asociație Z-Wave Alliance.

Dorința de a se crea o interoperabilitate reală între dispozitivele produse de dieverși jucători de pe piață, prin intermediul tehnologiei și standardelor Z-Wave, a reușit să reunească companii de renume, ca: Fibaro, Huawei, ADT Corporation, LG Uplus, Nortek Security & Control, plus mulți alți jucători importanți din domeniu.

Z-Wave Alliance numără peste 700 de membri producători de centrale de comunicație, senzori, dimmere, care, cu ajutorul tehnologiei, au scopul final de a controla piața caselor inteligente cu ajutorul acestei tehnologii care dezvoltă o interoperabilitate a unei rețele de „tip plasă”.

Ca și caracteristici tehnice, Z-Wave a fost gândit și proiectat pentru a asigura transmisii fiabile ale datelor. Datele sunt de dimensiuni mici, de până la maxim 100 kbit/s. Este mai mult decât potrivit pentru contolarea și interogarea senzorilor dintr-o rețea rezidențială, distanța de comunicație de cea mai înaltă calitate și eficiență având loc, în mod real, până pe distanțe de pâna la 40 de metri.

Funcționează la 868,42 MHz în Europa, la 908,42 MHz în America de Nord și folosește alte frecvențe în alte țări în funcție de reglementările impuse în fiecare stat în parte[11].

Frecvența de bandă aleasă concurează cu unele telefoane fără fir și cu mult mai multe alte dispozitive electronice preferate de utilizatori pe piață, dar, cu toate aceste are marele avantaj de a evita potențiale interferențe cu frecvențele Wi-Fi, Bluetooth sau cu alte sisteme care operează pe 2,4 GHz, o bandă extrem de aglomerată în present, pe care se înghesuie mai mulți producători de echipamente.

Tabel cu diverse frecvențe folosite în jurul lumii[12]:

Tabel 1.1.

Punctul forte prin care se face remarcat protocolul Z-Wave este faptul că Z-Wave Alliance s-a concentrat foarte mult asupra securității sistemelor care implică protocol de comunicație Z-Wave. Astfel, datele primite, stocate sau transmise prin intermediul Z-Wave sunt securizate cu ajutorul unor standarde de criptare complet noi pentru transmisia de date dintre nodurile rețelei, începând cu 2 apriliea 2017[13].

Mai mult, asoierea unui dispozitiv cu alt dispozitiv se face prin intermediul unui cod PIN și a unui cod QR unic pentru fiecar terminal în parte, măsuri de securitate implementante pentru ca echipamentele Z-Wave să nu cadă pradă hackerilor.

Astfel, protocolul Z-Wave este cel mai sigur protocol de comunicație în prezent pentru echipamentele inteligente[14].

1.5 Diferențe dintre Z-Wave, ZigBee și alte protocoale de comunicație

Industria caselor inteligente se axează în principal pe rețele wireless de comunicație între echipamente, care, prin accesul la internet să poată comunica de la distanță cu un alt dispozitiv (laptop, tabletă, telefon mobil inteligent), printr-o interfață web sau aplicație de mobil. Acest lucru este posibil prin apelarea unui IP specific.

Din numărul mare de tehnologii disponibile, există câteva avantaje pe care tehnologia Z-Wave le are față de alte tehnologii.

Printre standardele de comunicație care concurează cu tehnologia Z-Wave putem aminti ZigBee, Wi-Fi HaLow, Bluetooth 5, Insteon sau Thread.

Tehnologia Bluetooth, de exemplu, este limitată de distanța și intervalul de transmisie a semnalului, precum și de numărul de dispozitive care se pot conecta și care pot schimba informații și comenzi simultan.

Tehnologia Wi-Fi este un consumator prea mare de energie, motiv pentru care nu este cea mai utilizată pentru astfel de aplicații.

În aer liber, sau în spații deschise, tehnologia Z-Wave poate opera pe distanțe lungi, de până la 100 de metri, în timp ce în spații închise poate opera până la 40 de metri.

Deși ZigBee este standardul care surclasează Z-Wave la capitolul vitezei de transmisie a datelor, Z-Wave stă mai bine la interopreabilitate, interoperabilitatea fiind o caracteristică mult mai importantă pentru utilizatorii finali.

Cu toate că și ZigBee sau Thread sunt rețele „de tip plasă”, acestea funcționează pe frecvența Wi-Fi standard, de 2.4 GHz. Prin comparație, faptul că Z-Wave funcționează în intervalul 800-900 MHz reprezintă un avantaj, nu doar din punct de vedere al poluării fonice, ci și din prisma faptului că raza de acoperire a semnalului este mai mare[15][16].

Însă, de departe cel mai mare avantaj al Z-Wave în fața celorlalte protocoale sau standarde îl reprezintă faptul că specificațiile și arhitectura Z-Wave au fost publicate și oferite gratuit către cei interesați de cercetare în domeniu în 2016, motiv pentru care e un protocol foarte atractiv pentru dezvoltatorii și pasionații de tehnologie Internet of Things (IoT). [17]

Tabel 1.2

1.6 Conceptul de casă inteligentă din ultimii ani

În prezent, conceptul de case și/sau clădiri inteligente a fost tot mai dezvoltat și a căpătat și alte sensuri.

În contextul în care lumea se îndreaptă către un Green Deal, iar utilizarea surselor de energie regenerabile, conservarea resurselor pe care deja le deținem și practicile „verzi” prind din ce în ce mai mult contur, conceptul de casă inteligentă a început să prindă și mai multe nuanțe.

Astfel, devine evident faptul că o clădire sau casă inteligentă nu e suficient să fie doar conectată (IoT), ci și eficientă. Prin urmare, o casă inteligentă devine, mai nou, inteligentă dacă respectă standardele BioT (Building Internet of Things).

În vederea câștigării statutului de BioT, casele inteligente trebuie să aibă următoarele atribuții[18]:

– eficiență energetică ridicată (energy efficient)

– afectarea cât mai redusă a mediului înconjurător (green)

– sustenabilitate (sustainable)

– performanțe ridicate oferite persoanelor care o ocupă (productivitate ridicată prin tehnologiile moderne existente în cadrul clădirii – high performing)

– performanțe sporite oferite persoanelor care gestionează/dețin clădirea (costuri operaționale scăzute obținute tot prin intermediul tehnologiilor moderne existente în cadrul clădirii – operationally efficient)

-integrarea în cadrul rețelelor inteligente de producere, transport și distribuție de energie electrică și al orașelor inteligente (integrated)[19]

Așadar, trendul actual este ca ansamblurile rezidențiale să nu fie doar conctate la diverse dispozitive ale proprietarului, ci să fie și autonome. Acest lucru presupune în prezent o clădire dezvoltată astfel încât să funcționeze (permițând persoanelor din interiorul ei să realizeze toate acțiunile pe care și le doresc sau pe care trebuie să le realizeze) în mod independent față de o infrastructură publică sau privată (facilitățile și sistemele fundamentale care deservesc de obicei clădiri) precum o rețea electrică pentru alimentarea clădirii, o rețea de gaze pentru alimentarea clădirii, un sistem de alimentare cu apă potabilă sau apă caldă menajeră, un sistem de tratare a apei reziduale, un sistem de încălzire/răcire și în anumite cazuri un serviciu de comunicații și drumurile publice.

În mod practic, o casă inteligentă autonomă presupune sustenabilitate. Dorința de a nu fi obligat să utiliezi o anumită infrastructură exterioară care presupune resurse (ex.: de energie, căldură) deja existente în afara clădirii, ci utilizarea propriilor resurse, de preferabil de natură „verde”, este următorul pas care poate eticheta o casă ca fiind o casă „inteligentă”. Foarte important esta ca resursele și modul în care resursele pentru noua casă inteligentă sunt procurate să nu producă niciun fel de daune mediului înconjurător.

Fig. 1.8 Exemplu de casă autonomă[20]

Casele autonome presupun următoarele caracteristici:

-obținerea energiei electrice pe cale naturală, independent de resursele oferite convențional până în prezent

-obținerea apei potabile pe cale naturală, independent de resursele oferite convențional până în prezent

-obținerea apei calde menajere, independent de resursele oferite convențional până în prezent

-realizarea procesului de încălzire/răcire a locuinței, procese independente față de resursele și metodele convenționale de până în prezent

-integrarea unor sisteme de tratare a apei reziduale, procese independente față de resursele și metodele convenționale de până în prezent

Pe de altă parte, tot la capitolul case inteligentă intră, de curând, rolul casei de a fi o „casă pasivă”.

Casele pasive reprezintă locuințe a căror clădire a fost proiectată astfel încât să consume energie la un nivel foarte scăzut, dar care să consume suficient de mult încât să poată asigura funcționarea în parametri normali a consumatorilor necesari din interiorul locuinței sau gospodăriei.

Fig. 1.9 Un exemplu de casă pasivă este Casa Pasivă din interiorul campusului Universității Politehnica din București [21]

Standardul Passivhaus, adică standardul care stabilește modu în care o clădire pasivă trebuie proiectată și construită a luat naștere în timpul unei conversații din mai 1988.

Conversația are loc între Bo Adamson, de la Universitatea Lund din Suedia și Wolfgang Feist, de la Institut für Wohnen und Umwelt (Institutul pentru locuințe și mediu, Darmstadt, Germania).[22]

Conform standardului internațional cu privire la modul în care trebuie realizate clădirile pasive realizat în decembrie 2017, acesta prevede următoarele aspecte:

– faptul că clădirea trebuie proiectată și realizată astfel încât energia consumată anual pentru asigurarea încălzirii și răcirii spațiilor din interiorul ei (calculată cu ajutorul Passivhaus Planning Package) să nu depășească 15 kWh/m2, sau valoarea maximă a energiei consumate pentru asigurarea încălzirii spațiilor din interiorul ei să fie de 10 W/m2, pe baza datelor legate de clima din zona în care este situată clădirea;

– faptul că energia totală consumată anual pentru asigurarea funcționării consumatorilor din interiorul ei precum și pentru asigurarea încălzirii și răcirii spațiilor din interiorul ei să nu depășească 60 kWh/m2;

– testul de etanseitate al anvelopei casei – clădirea nu trebuie să permită scurgerea în exteriorul clădirii a unui volum de aer mai mare de 0,6 din volumul de aer total din interiorul casei atunci când acesta are o presiune (în interiorul casei) de 50 Pa asigurată în urma testării cu ajutorul unei uși cu suflantă (blower door – Link) SAU dacă ne raportăm la suprafața totală exterioară a clădirii, scurgerea în exteriorul clădirii a volumului de aer din interiorul clădirii nu trebuie să depășească 0,05 ft3/minut (1ft3 = 28,3168l).[23]

O casă inteligentă, după cele mai înalte standarde, înglobează toate conceptele prezentate mai sus. Astfel, o casă pasivă poate deveni o casă autonomă, dacă respectă regulile stricte confrom cărora aceasta nu va necesita interacțiunea cu o anumită infrastructură existentă în afara clădirii, există și funcționează fără a epuiza resursele disponibile (provenite din infrastructuri existente în exteriorul clădirii) și fără a distruge mediul (fără a afecta în niciun fel mediul înconjurător).

Simultan, casa pasivă și autonomă trebuie să fie interconectată cu clădirile și terenurile adiacente de care aparține, prin sisteme de tip smart-home care înglobează și dezvoltă teoria prezentată anterior, utilizând protocoale Z-Wave și sisteme de tip cloud, pentru integrarea Internet of Things.

1.7 Legătura dintre tehnologiile de automatizare ale caselor inteligente și casele autonome și/sau pasive

O casă pasivă sau autonomă nu poate să îndeplinească cerințele necesare pentru a fi numită pasivă sau autonomă dacă nu este dotată cu echipamente inteligente de monitorizare ale diverșilor parametri (ex.: temperatură, umiditate) care pot, la rândul lor, să controleze o serie de echipamente și sisteme de acționare electrică care să satisfacă nevoile de confort printr-un consum redus de energie electrică.

Astfel, senzorii au rolul de a achiziționa datele, de a le filtra și de a executa o comandă. Spre exemplu, considerăm că este noapte, că afară sunt 14̊ grade Celsius, dar avem în casă o temperatură de confort setată la 23̊ de grade Celsius.

Sistemele de încălzire au reglat temperatura la 23̊ de grade Celsius pe timpul nopții, temperatura de la exteriorul casei fiind constantă preț de câteva ore. Dar, pe timpul zilei, temperatura poate ajunge chiar și la 30̊ de grade C, deci o diferență de temperatură de 16̊ grade Celsius în mediul exterior.

Datorită unei monitorizări constante a parametrilor, o casă inteligentă va acționa la timp sistemul de răcire și/sau de ventilație al casei în timp real, pe durata schimbărilor parametrilor de la exterior, comunicând totodată cu senzorii ca strâng date din interior, astfel încât consumul de energie să fie mai mic, constant, iar confortul locuitorilor să fie cât mai ridicat.

Pe de altă parte, utilizatorii unei astfel de case pot monitoriza producția de energie electrică, astfel încât să știe care este cel mai potrivit moment al zilei de utilizare a unui boiler de încălzire al apei, spre exemplu. Sau pot observa când consumul de energie electrică al casei este mai mic decât producția, motiv pentru care pot alimenta și o mașină electrică cu cantitatea de energie produsă de niște panouri fotovoltaice, în cazul în care nu doresc să înmagazinele energia produsă în niște acumulatori sau dacă nu doresc să devină prosumatori și să injecteze surplusul de energie electrică în rețea.

Acestea au fost doar două exemple, dar aplicații și scenarii mai complexe pot fi puse în practică pentru a eficientiza consumul de energie electrică și pentru a ridica gradul de confort și calitatea vieții individului, îmbinând tehnologia cu o casă construită sustenabil și prietenoasă cu mediul înconjurător.

CAPITOLUL 2. Arhitectura generală a unei case pasive și/sau autonome inteligentă și a sistemului de achiziții de date

Pentru a putea ajunge la standardul de casă pasivă și/sau autonomă inteligentă, trebuie să se respecte o serie de indicatori enumerați în primul capitol, la intertitlul 1.6.

Dar, pentru aceasta, există cinci principii care trebuie respectate, după cum urmează:

Termoizolație de calitate

Etanșeitatea clădirii

Eliminarea punților termice

Geamuri de cea mai înaltă calitate care permit colectarea de energie solară

Ventilație cu recuperare de căldură [24]

Aceste aspecte, alături de una sau mai multe surse de energie regenerabilă care să ajute la alimentarea constantă a locuinței cu energie electrică regenerabilă, nu provenită din rețea, conduc la realizarea obiectivului. Așadar, pentru proiectarea, execuția și exploatarea unei case autonome inteligente este nevoie de:

Proiectare serioasă, care să corespundă principiilor de mai sus

Sursă sau surse de energie electrică neconvențioală, în sensul de energie regenerabilă

Sisteme inteligente de monitorizare, automatizare și control al echipamentelor instalate

2.1.1 Proiectarea unei case autonome și/sau pasive inteligente

Pentru a proiecta o casă autonomă și/sau pasivă inteligentă trebuie să avem în vedere, înainte de toate, forma casei și coordonatele acesteia în funcție de cele patru puncte cardinale: nors, sud, est și vest.

Cunoaștem că soarele, principalul generator de căldură și energie naturală, răsare dinspre est și apune către vest. De altfel, mai cunoatem faptul că, în general, curenții de aer cald sunt transportați pe calea aerului dinspre sud spre nord.

Pe baza acestor noțiuni simple, putem gândi amplasamentul unei astfel de case și modul în care vrem să repartizăm încăperile, astfel încât să utilizăm cât mai puțin, dar eficient, sistemele de încălzire și de răcire ale casei, precum și necesarul de lumină pentru a nu utiliza energia electrică pentru a crea lumina artificială pe timpul zilei.

Prin urmare, am încercat să proiectez o casă autonomă inteligentă, respectând principiile de mai sus, cu ajutorul unui simulator online[25].

Casa este gândită petru a fi utilizată de o familie cu un singur copil, fiind formată pe lângă cele două dormitoare (unul pentru părinți și unul pentru copil) cu două băi, o bucătărie, un vestibul (cu rol și de tampon termic), un spațiu de depozitare al hainelor sau pentru depozitarea a diverse obiecte, pe un singur nivel, plus o cameră de oaspeți.

Am plecat de la presupunerea că suprafața de proiectare și execuție a lucrării îmi permite să orientez casa pe axa N-S, forma aleasă fiind de forma unui deptunghi. În vederea realizării etapei de desen nu am urmărit neapărat elemente de estetică sau design, ci un mod prin care se poate exploata poziția geografică și compartimentarea unei case astfel încât să poată fi eficientă din punct de vedere energetic, prietenoasă cu mediul, căci noile normative europene ne îndreaptă către utilizarea materialelor cât mai prietenoase cu mediul, deci scopul a fost exact o casă autonomă inteligentă și sustenabilă.

Fig. 2.1.1 Planul casei, privire de ansamblu.

După cum se poate observa în figura 2.1.1, am orientat cele două intrări ale casei pe axa Nord-Sud și am optat pentru o formă dreptunghiulară pentru a realiza o circulare a aerului cald dinspre Sud către Nord.

După cum se poate observa încă din această imagine, atât la intrarea dinspre nord, cât și la cele două geamuri dinspre living am optat pentru un acoperiș mic, ce are rolul de a bloca pătrunderea razelor solare în casă pe timp de vară (când razele soarelui cad pe sol în timpul zilei la o înclinație de aproximativ 65̊-70̊), dar care permit pătrunderea acestora în imobil pentru a încălzi suprafețele interioare în lunile răcoroase (pe timp de iarnă, razele solare ajung la sol cu înclinație de aproximativ 30̊).

Fig. 2.1.2 Vedere dinspre Nord-Vest. Razele soarelui încălzesc iarna casa, nu furnizează doar lumină, în timp ce vara furnizează doar lumină, nu și căldură excesivă

Datorită acestui proces, se câștigă lumină naturală și confort termic, pe de o parte, dar se și renunță la utiliarea sistemului de încălzire/răcire al casei, deci se salvează energie electrică care poate fi utiliată în alt scop, stocatată în acumulatori pentru utilizarea ulterioară sau generată în rețeaua națională.

Orientarea casei către Nord-Sud nu are doar rolul de a ajuta aerul cald să traverseze dinspre Sud înspre Nord în scopul de a încălzi casa, ci și utilizarea într-un mod eficient al ferestrelor, astfel încât să genereze suficientă lumină, dar fără să crească cantitatea de căldură.

De exemplu, în living și pe hol vom avea parte mereu de lumină naturală pe timpul zilei, fără a simți o cantitate exagerată de căldură pe timp de vară. Seara în schimb, soarele se mută către Vest la apus, moment în care reazele acestuia vor intra puternic în încăpere.

Acest proces ajută la încălzirea naturală a casei, care va oferi o temperatură ușor ridicată față de cea din timpul zilei, ceea ce nu este o problemă, pentru că nu vom fi nevoiți să apelăm la sistemul de răcire al casei, decât în cazuri extreme.

Dar, în general, corpul uman are nevoie, pentru a se odihni mai confortabil, de un ambient cu o temperatură de aproximativ 2̊-3̊ Celsius mai ridicată față de temperatura de confort din timpul zilei, deoarece nu degajă, ci are nevoie să atragă și să conserve energie, pentru că temperatra corpului uman scade în timpul somnului.[26]

Am ales ca bucătăria, dormitorul părinților, al copilului dar și prima baie (cea mai mică, de 6 mp) să aibă parte de ferestre dinspre Est, pentru a încălzi temperatura în camerele menționate anterior pe timpul dimineții, în ideea de a creea confortul necesar rutinei de dimineață cu ajutorul căldurii generate de razele pe care soarele le emană la răsărit.

Fig. 2.1.3 Vedere dinspre Sud-Est. Ilustrație: cum încălzesc razele soarelui natural, dimineața, încăperile cu ferestre spre Est.

Pe parcursul zilei, dormitoarele nu sunt uilizate la fel de frecvent ca living-ul, care este ferit de căldura generată de soare până înspre apus, când majoritatea membrilor familiei se retrag în dormitoare.

Baia principală, de 16 metri pătrați a fost poziționată către Vest, pentru a se încălzi natural de la razle soarelui care vor inunda încăperea după amiaza, în vederea asigurării unei temperaturi confortabile corpului uman pentru rutina specifică de la finalul zilei, fără a necesita încălzire suplimentară, cel puțin pe timp de primăvară, vară și toamnă.

Datorită poziționării în acest fel a camerelor de mai sus, căldura necesară pentru asigurarea unei temperaturi confortabile pentru membrii familiei este asigurată în mare parte, iar în unele cazuri total, fără costuri suplimentare din partea utilizării mijloacelor de încălzire/răcire a casei.

Fig. 2.1.4 Vedere dinspre Nord-Sud. Soarele încălzește natural baia principală și camera de oaspeți, dar nu și living-ul, deși oferă suficientă lumină pentru activitățile cuente din timpul zilei.

Într-adevăr, camera de oaspeți este expusă, mai ales în timpul verii, la supraîncălzire. Nu este o scăpare de proiectare, ci un calcul simplu: nicio familie nu primește oaspeți în fiecare zi, ci cu precădere de sărbători, care au loc în anotimpuri răcoroase.

Cu totate acestea, indiferent de anotimpul în care familia va găzdui oapeți, aceștia cu siguranță nu își vor petrece timpul în cameră, motiv pentru care nu s-au luat măsuri suplimentare pentru eficientizarea costurilor de încălzire/răcire a încăperii: această încăpere nu este gândită pentru a fi utilizată în mod frecvent.

2.1.2. Înclinația acoperișului

Deoarece am prezentat până acum motivul pentru care am ales să proiectez casa pe axa Nord-Sud și camerele, după specific, cu ferestrele către Est sau către Vest, acum voi explica de ce am ales unghiul de înclinare al acoperișului astfel.

În primul rând, deși nu am putut fi explicit în desenele prezentate, suprafața acoperișului are rolul de a servi ca spațiu de instalare al unui sistem de panouri fotovoltaice și panouri cu tuburi vidate.

Panoruile fotovoltaice au roul de a genera, înmagazina și/sau pulsa energia electrică suplimentară în rețea, după alimentarea electrocasnicelor, a iluminatului și a tuturor consumatorilor de energie electrică din casă.

Panourile cu tuburi vidate, conectate la un boiler, au rolul de a asigura necesarul de energie strict pentru încălzirea apei menajere din imobil.

Acoperișul casei are înclinații diferite pe zona de Sud și de Nord, din motive evidente: pe timp de vară, razele soarelui vor avea înclinația necesară de a cădea perpendicular cu precădere pe panourile instalate pe zona de Sud a acoperișului, acolo unde înclinația este de aproximativ 30̊, suprafața fiind și mai mare, deoarece vara este consumată mai multă energie electrică. Nu doar pentru că ziua este mai lungă, deci electrocasnicele sunt folosite mai des, ci și necesarul de energie electrică pentru răcirea casei, dar și pentru înclzirea apei menajere: vara, firește, ne spălăm mai des.

Pe zona de nord, înclinația acoperișurului a fost gândită la aproximativ, 45̊, panourile fiind montate pe un suport care poate compensa diferența de 10̊ pentru a se atinge înclinația de 55̊ aproximativ necesare pentru ca panourile solare să fie efieciente și pe timp de iarnă, iar casa să se poată autosusține din punct de vedere energetic și pe timp de iarnă, când, datorită proiectării, cantitatea de energie necesară va fi mai mică față de cantitatea de energie necesară vara.

Fig. 2.1.5 În această imagine se poate observa diferența dintre unghiul de înclinare a acoperișului pe zona de Nord, față de unghiul de înclinare ales pentru zona de Sud.

2.1.3. Pierderea de energie prin ferestre

Nu este niciun secret faptul că pierderile de căldură au loc cel mai des prin geamurile locuinței, fie că avem termopane sau nu la casa noastră.

Pentru a se garanta că ferestrele nu pierd căldură, deci energie, e nevoie nu doar de un geam termopan, ci și de partea de manoperă și tâmplărie pentru a evita pierderile de căldură.

Astfel, recomandarea pentru a câștiga, în loc de a pierde căldură, este de a utiliza termopane cu înveliș solar, tâplărie dedicată și măsurarea parametrilor la finalul lucrărilor, astfel încât valoarea Uw să fie mai mică de 0.8 W/m2K, conform standardului european EN 10077, pentru a se asigura nu doar confortul pe teren mediu și lung, ci și siguranța unei case pasive, autonome și a unor facturi mai mici în timpul lunilor de iarnă.

2.1.4. Termoizolația

Deși în cultura mioritică izolația presupune doar unul sau două straturi de pilostiren peste structura clădirii, iar apoi un strat de tencuială, termoizolația pentru o casă cu adevărat pasivă și/sau autonomă inteligentă trebuie avută în vedere încă de la turnarea fundației propriu zise a clădirii.

Deși nu este o practică foarte populară, deoarece este cunoscut mai mult din curentul popular (și din comoditate) faptul că „pământul ține de cald” suficient încât să nu mai fie nevoie o termoizolație suplimentară, metrologii ne avertizează (aproape în van) că temperatura medie de îngheț a solului, în România, este de aproximativ 1-1.2 metri sub pământ[27], motiv pentru care și anumite instalații sanitare sau de irigații cedează pe timp de iarnă, desi nu acesta este subiectul discuției.

Așadar, pierderile de căldură au loc și prin pardoseală, chiar și prin fundație. Pentru a obține, însă, o izolație completă, o fundație izolată, formată dintr-o combinație de beton cu izolație din spumă de sticlă expandată, geocell sau energo cell.

Motivele utilizării acestei combinații sunt multiple: nu doar că pierderile de căldură nu vor mai fi o bătaie de cap, dar și prețul final al investiției va fi mai mic. Spuma de sticlă expandată este, totuși, mai ieftină decât betonul.

Pe lângă izolarea fundației, atenția trebuie menținută la tâmplăria ferestrelor, izolarea pereților și, bineînțeles, a acoperișului, care are pirderi de căldură destul de mari dacă izolația nu este executată corect.

2.1.5. Ventilația cu recuperare de căldură

Unul dintre cele mai importante principii pentru a realiza o casă autonomă și/sau pasivă inteligentă constă în realizara unui sistem de ventilație cu recuperare de căldură.

Această componentă relativ nouă în domeniu (pentru casele rezidențiale/blocuri de locuințe, căci soluția a fost folosită cu succes ani de zile pentru clădirile de birouri) este esențială pentru o casă autonomă inteligentă.

În primul rând din simplul motiv că locuințele moderne, așa cum am prezentat și planul de până acum, au rolul de a conserva cât mai multă enegie pentru a elimina pierderile de căldură.

Așadar, după ce am construit casa pe o anumită axă, după ce am izolat locuința atât la interior, cât și la exterior, eliminând pe cât posibil cam toate pierderile importante de căldură, intervine la un moment dat o senzație de neaerisit sau senzația că locuitorii casei se sufocă. Ceea ceeste normal, pentru că aerul proaspăt din casă este consumat de utilizatorii acesteia.

O greșeală fundamentală este aceea că avem tendința să deschidem geamul pentru a intra aer proaspăt în casă. Metoda clasică de aerisire nu este, totuși, cea mai bună alegere pentru o casă pasivă sau autonomă, căci, prin această practică, se va elimina aerul cald din casă pe timp de iarnă sau aerul deja răcit la o temperatură de confort pe timp de vară.

Practic, o casă autonomă nu este deloc eficientă dacă se întâmplă să o aerisești cu geamul deschis, ci are nevoie de un sistem de ventilație cu recuperare de căldură.

Pe lângă componenta de aerisire a casei pentru introducerea aerului proaspăt în locuință, mai există pierderile de căldură datorate activității oamenilor: de exemplu, când ieși sau când intri în casă.

Fig. 2.1.6. Principiul de funcționare al unui recuperator de căldură. Ilustrație[28]

Recuperatorul de căldură, în esență, funcționează ca un schimbător, dacă vreți, de căldură.

Astfel, aerul supraîncălzit, plin de dioxid de carbon sau cel urât mirositor este atras către exterior de către sistmul de ventilație și trece prin recuperatorul de căldură. În același timp, de la exterior este introdus aer curat, neviciat, care este încălzit de aerul viciat în interiorul recuperatorului de căldură.

Cu ajutorul unui recuperator de căldură, poți ajunge la un randament de până la 80%-90%, adică aerul proaspăt introdus în imobil este deja încălzit sau răcit cu până la 80%-90% din temperatura pe care dorești să o ai în locuință. Astfel, pentru a ajunge la temperatura constantă de confort pe care o familie o dorește, sistemele de incălzire/răcire mai au de lucrat doar pentru un procent de 10%-20%.

În loc să încălzești sau răcești aerul intrat pe fereastră cu până la 100%, pe lângă energie salvată în timpul procesului, salvezi și timpul necesar desfășurării procesului. Astfel, energia electrică consumată mai puțin îți aduce totodată și un grad ridicat de confort.

Pentru ca o unitate de ventilație cu recuperator de căldură să fie utilizată corespunzător, este important ca cele două fluxuri de aer, atât cel proaspăt, cât și cel viciat, să nu se amestece niciodată.

Din acest motiv, cele două fluxuri ar trebui să treacă printr-o structură asemănătoare cu un fagure de albine, cu o serie de pasaje cu pereți subțiri în interiorul schimbătorului de căldură, care oferă o suprafață foarte mare pentru transferul de energie între fluxurile de aer adiacente și aerul de evacuare.[29]

Fig. 2.1.7. Structură tip fagure. Ilustrație[30]

2.1.6. Sistemul de încălzire și sistemul de răcire al casei

Pentru ca o casă pasivă și/sau autonomă inteligentă să își respecte cu adevărat standardele, trebuie să încălzească și să răcească casa într-un mod cât mai eficient posibil. Asta presupune nu doar un consum de energie redus sau acoperit total din energie regenereabilă, ci să fie și eficient pentru asigurarea confortului, dar și prietenos cu mediul. Într-un cuvânt, este necesar un sistem sustenabil de încălzire și de răcire al casei.

Pentru încălzirea imobilului, consider că încălzirea prin pardoseală este cel mai eficient mod de a face acest lucru. Asta deoarece se instalează în șapă un traseu de tubulatură încorporată prin care va trece agentul termic, mai precis apa încălzită.

Apa nu necesită o temperatură prea ridicată pentru încălzirea locuinței, fiind suficienta o temperatură de aproximativ 30̊-35̊ de grade Celsius pentru a încălzi podeaua care, la rândul ei, va degaja căldură de jos în sus, încălzind restul casei.

Fig. 2.1.8 Încălzirea prin pardoseală vs. încălzirea prin calorifer

Prin comparație, un calorifer sau un radiator are nevoie de peste 55̊ de grade Celsius pentru a începe să fie eficient, în unele cazuri necesarul de căldură al unui calorifer, ca să încălzească eficient, ajungând și la 65̊-70̊ de grade Celsius.

Pentru răcire, se utilizează tot tubulatură, dar de data aceasta fixată în perete și/sau pe tavan. Se poate apela și la plăci dedicate, pe care tubulatura este deja instalată. Avantajul la plăcile dedicate este faptul că sunt deja prevăzute cu o izolație și sunt mai ușor de instalat.

Atât încălzirea, cât și răcirea casei prin acest proces garantează o încălzire și o răcire uniforma, spre deosebire de căldura provenită de la calorifere sau de aerul rece pompat de aerul condiționat pe o zonă restrânsă. Alt avantaj vizibil constă în faptul că apa care încălzește nu depășește temperaturi mai mari de 35̊ de grade Celsius, în timp ce apa rece nu scade sub temperature de 16̊-17̊, și nici pe acestea nu cred că le atinge, decât în cazuri extreme.

Acum că am stabilit felul în care încălzim, dar și cum răcim, trebuie identificată și soluția tehnică. Pentru o casă pasivă, având în vedere că soluțiile de proiectare și execuție sunt multiple, cred că cea mai corectă alegere din punct de vedere sustenabil ar fi utilizarea unei pompe de căldură geotermală.

Din punct de vedere termic, pompele geotermale sunt extrem de eficiente. Peste 70% din necesarul mediu de energie pentru o casă tipică, proiectată pentru o singură familie, este pentru a satisface nevoia de încălzire și răcire (deci, nevoi termice).

Cu o pompă de căldură geotermală, consumul de energie poate fi redus cu 40% până la 70%, obținând economii semnificative la consumul de electrică și gaze naturale.[31]

Mai mult decât atât, pompele de căldură geotermale pot reduce cu 50% emisiile de carbon provenite din consumul de energie din clădiri, ceea ce ne duce cu gândul că putem reduce amprenta la sol a emisiilor de carbon din casa noastră, dovedind că proiectăm sustenabil și nu doar în folos propriu, ci și în folosul protejării comunității noastre.

În România, la o adâncime considerabilă de aproximativ 100-150 de metri, solul are o temperatură constantă de aproximativ 10̊-12̊ C. Astfel, dacă se instalează un sistem de sonde geotermale, prin care să circule nu doar apă, ci și un antigel împotriva înghețului, energia necesară pentru încălzirea apei, adică a agentului termic în cauză, se poate extrage direct din sol, cu ajutorul unei pompe geotermale de căldură sol-apă. Această rețea, dacă o putem numi astfel, se numește bucla la sol.

2.1.7. Principiul de funcționare al instalației

Pompa de căldură nu este neapărat un mister, folosind un principiu relativ simplu, pe care îl cunoaștem deja și îl utilizăm în alte aplicații: mașina frigorifică.

Practic, pompa funcționează ca un aer condiționat sau, dacă doriți, ca un frigider classic, standard.

Întregul sistem este format din câteva elemente cheie: bucla la sol, despre care am vorbit mai devreme, pompa de căldură propriu zisă și sistemul de distribuție, adică traseul de tubulatură din pardoseală și de pe pereți și/sau tavan.

Fig. 2.1.9. Funcționarea sistemului de încălzire/răcire cu ajutorul unei pompe geotermale sol-apă.[32]

După cum se observă și din imaginea de mai sus, pompa de căldură este formată dintr-o valvă de expansiune, un compresor și cele două „schimbătoare” de căldură, adică condensatorul și, respectiv, vaporizatorul.

Condensatorul și vaporizatorul, sau cele două „schimbătoare” de căldură ale sistemului au rolul de încălzi și de a răci agentul termic în funcție de nevoile proprietarului.

Principiile sunt extrem de simple. Lichidul, pe măsură ce se vaporizează, absoarbe căldură. Apa, spre exemplu, se transformă în abur când ajunge la temperature de fierbere de 100̊ de grade Celsius. Comprimarea unui gaz îi crește temperatura, în timp ce extinderea unui gaz îi scade temperatura. În momentu în care gazul își pierde constant din temperature, acesta se va transforma la loc în lichid. De exemplu, aburul apei care a fiert trece prin etapa de condens și ajunge să se transforme la loc în apă. Cu câteva cunoștințe minime despre termodinamică și un minim de acționări hidraulice am ajuns la forma finală a sistemului de încălzire/răcire a temperaturii în casă.

Un agent frigorific este un lichid cu un punct de fierbere foarte scăzut, ceea ce înseamnă că se poate evapora într-un gaz și se condensează înapoi într-un lichid la temperatură scăzută.

Când este circulat într-o buclă între două schimbătoare de căldură, agentul frigorific câștigă căldură de la un schimbător, astfel încât acesta se transformă într-un gaz, gazul este comprimat, apoi trece prin al doilea schimbător unde pierde căldură, înainte de a fi extins, revenind la un lichid pentru a începe din nou ciclul.

Într-o pompă de căldură geotermală, primul schimbător de căldură este plasat în circuit cu bucla la sol, al doilea în circuitul cu clădirea. Agentul frigorific poate obține căldură din bucla de la sol și o poate pierde în clădire sau poate funcționa în sens invers; încălzirea sau respectiv răcirea clădirii.[33]

Pompa de căldură va fi alimentată cu energie electriă direct de la panourile solare instalate, chiar dacă consumă mult mai puțină energie decât produce, ceea ce este evident, altfel nu ar mai reprezenta o soluție tehnică corectă.

Circuitul prin care va cirula agentul termic de încălzire și de răcire al casei va fi un circuit închis. Practic, am identificat soluția tehnică prietenoasă cu mediul, sustenabilă și eficientă. Atât pentru răcirea, cât și pentru încălzirea casei, nu vom fi nevoiți să utilizăm metode convenționale, iar costurile de întreținere ale temperaturii vor fi zero.

2.1.8. Încălzirea apei menajere pentru duș, spălat vase și alte utilități asemănătoare

Pentru încălzirea apei menajere am gândit un sistem separate de panouri solare, cu tuburi vidate, nu fotovoltaice. Acestea vor încălzi apa extrasă din rețeaua națională (pentru că, în România, apa din rețeaua națională este bună atât din punct de vedere calitativ, cât și din punct de vedere economic, deci nu avem niciun motiv pentru care să căutăm alte soluții), care va fi inmagazinată și încălzită, de fapt, într-un boiler.

Deși se poate utiliza apă extrasă de sondele geotermale destinate încălzirii și răcirii casei, în unele zone se poate constata că apa pe care o găsim în pământ nu este cea mai calitativă, motiv pentru care am considerat că acest proiect, care are destinația de a putea fi aplicat în diverse zone de pe suprafața României, să utilizeze separat un sistem de încălzire a apei menajere extrasă din rețea bazat pe panouri solare cu tuburi vidate, dedicate acestui scop.

Fig. 2.1.10. Sistem de încălzire a apei menajere cu ajutorul panourilor solare cu tuburi vidate[34]

Sistemul prezentat în imagine funcționează astfel:

Colectorii sunt așezați, de regulă, pe panou. Partea superioară, pe care lumina va cădea perpendicular, este înfășurată într-un tub sticlă, pentru a lăsa energia solară să intre. În interior, se află un material absorbant de culoare neagră, pentru a maximiza eficiența de atracție a energiei solare de către panou.

Apa rece este extrasă din boilerul în care este depozitată prin pompa 1 și este pompată prin colectorul montat pe acoperișul casei.

Apa absoarbe energia solară și este returnată înapoi în rezervor.

Apa caldă din rezervor este pompată de pompa 2 prin bobina de încălzire.

Ventilatorul suflă aer (din cameră) peste bobina încălzită, iar aerul încălzit trece apoi în cameră și încălzește camera.

Aerul rece circulă în partea de jos și este recirculat peste bobina de încălzire.

Arhitectura sistemului de achiziții de date pentru o locuință pasivă și/sau autonomă inteligentă

Pentru ca o casă pasivă și/sau autonomă să poată să își îndeplinească misiunea, aceasta are nevoie de un sistem de achiziții de date care să controlze funcțiile casei.

De exemplu, nu ne interesează doar partea în care putem face scenarii și jocuri de lumini pentru confortul propriu în casă din punct de vedere optic, ci în mod special ne axăm pe controlarea pierderilor de căldură, adică pe controlul sistemului de încălzire și de răcire al casei.

Pentru aceasta, avem nevoie de un sistem de tip smart home care să achiziționeze date și informații de la niște senzori de temperatură sau senzori meteorologici.

Un astfel de sistem poate fi format dintr-o centrală simplă, care funcționează pe bază de unde radio prin protocoalelele de comunicație ZigBee sau Z-Wave despre care am vorbit în primul capitol, sau putem apela la un CLP, adică la un cotroller logic programabil, care să intervină și să ia anumite decizii în funcție de datele achiziționate de la senzorii de temperatură sau de la senzorii meteorologici.

Personal, înclin către un sistem de achiziții de date care să comunice prin tehnologie Z-Wave, din următoarele motive:

Z-Wave este un standard internațional cu vechime, folosit de o gamă largă de producători

Echipamentele care comunică cu ajutorul acestui protocol de comunicații nu trebuie să fie achiziționate de la același producător, deci pot alege echipamente cu caracteristici foarte performante de la producători diferiți, în funcție de preț, fiabilitate, garanție, etc.

Componenta financiară; un echipament care comunică prin intermediul protocoalelor Z-Wave va fi mult mai accesibil din punct de vedere financiar, față de un CLP care este mult mai recomandat pentru lucrări industriale, nu destinate zonelor rezidențiale

Protocoalele de comunicații radio sau wireless au un avantaj: senzorii împerecheați sunt alimentați de la baterii sau acumultori, iar consumul de energie al senzorilor este foarte mic, motiv pentru care nu voi fi nevoit nici să schimb bateriile sau acumulatorii decât la câțiva ani

Tot datorită faptului că protocoalele de comunicație sunt wireless, nu am nevoie de fire suplimentare cu care să-mi aglomerez pereții casei, deci nu voi introduce în casă căldură suplimentară pe care nu o doresc; sigur, căldura degajată de un fir prin care trec curenți slabi nu este foarte mare, dar dacă vreau o casă automatizată din mai multe puncte de vedere, s-ar putea ca vara să fiu nevoit să răcesc casa cu încă aproape un grad Celsius în plus, ceea ce nu îmi doresc

Motive pentru care îmi doresc senzori meteorologici, nu senzori simpli de temperatură:

Un senzor clasic de temperatură îmi va spune exact câte grade Celsius am într-o încăpere sau în mediul exterior

Un senzor meteorologic îmi va spune nu doar temperatura, ci și umiditatea din aer, care este o componentă importantă ce poate activa sistemul de ventilație pentru a scădea umiditatea din aerul din casă

Un senzor meteorologic inteligent va fi capabil să fie conectat la internet, motiv pentru care voi putea implementa tehnologia Internet of Things (IoT) pentru a stabili diverși parametri: care va fi umiditatea peste 4-5 ore, dacă va ploua sau nu la noapte, care va fi diferența de temperatură în diferse momente ale zilei, etc.

Cu ajutorul unui senzor meteorologic inteligent, conectat la internet, nu voi achiziționa doar datele pe care acesta mi le furnizează instant, ci voi ști, datorită achiziției de date prin Interent of Things de la o stație meteorologică exact care vor fi parametri în următoarele ore sau zile. Astfel, casa inteligentă va ști cum să pornească sistemul de încălzire, răcire, sau de ventilație al casei astfel încât fiecare sistem să funcționeze la eficiență maximă. Astfel, consumul de energie electrică este cât mai mic, dar randamentul sistemelor în care am investit este mai mare. Pe lângă componenta energetică, intervine componenta de confort sporit, datorită unui sistem inteligent de achiziții de date.

Spre exemplu, dacă aș utiliza un sistem de achiziții de date de tip smart home cu senzori clasici, care nu au posibilitatea de a „anticipa” în baza Internet of Thnigs care vor fi fluctuațiile de temperatură și umiditate în următoarele ore, aș avea de ales între douî opțiuni:

Să presetez centrala sistemului de tip smart home să ia o decizie de încălzire sau de răcire a casei în momentul în care temperatura variază cu +2̊C sau -2̊C (variația de 2̊C a fost aleasă strict pentru exemplu) față de temperatura de confort pe care o doresc

Să aleg să fiu notificat de către centrală că temperatura a scăzut sau a crescut, pentru a-i transmite personal decizia pe care doresc ca aceasta să o ia

Să utilizez mai mulți senzori de umiditate independenți legați la centrala de comunicație care să ia suplimentar decizia de ventilare a casei când umiditatea variază, sau să mă notifice suplimentar cu privire la acest aspect pentru a lua singur o decizie.

În oricare scenariu anterior, mă deranjează două aspecte: în primul rând, nu vreau ca sistemele de încălzire/răcire și de ventilație să pornească și să se oprească de fiecare dată când temperatura și umiditatea variază destul de mult. Nu e vorba doar de consumul energetic mai mare, ci și de faptul că o diferența mai mare de temperatură și umiditate nu îmi oferă confortu dorit în momentul în care am optat pentru o casă pasivă și/sau autonomă inteligentă.

În al doilea rând, presupunând că aleg ca centrala să mă notifice cu privire la parametrii măsurați și să mă facă să îi „dictez” ce decizie să ia ma deranjează, pentru că aș fi notificat des atât cu privire la variația temperaturii, cât șio cu privire la variația umidității, iar eu nu îmi doresc nici acest lucru, căci îmi doresc ca imobilul „să lucreze” pentru mine fără mă notifice constant și să mă întrerupă din asctivitățile mele de zi cu zi.

Prin urmare, aleg să utilizez o centrală de tip smart home care va extrage date de la senzori de temperatură și umiditate din șapte zone (toate dormitoarele, living-ul, bucătăria și cele două băi), care vor comunica cu centrala (conectată la internet, pentru a putea comunica cu aceasta de la distanță, sau pentru a putea urmări parametri direct de pe smartphone).

De asemenea, voi integra un senzor meteorologic inteligent care va fi amplasat pe casă, în cel mai înalt punct, pentru a colecta date cât mai corecte, indiferent de poziția soarelui. Dacă senzorul de exterior ar fi poziționat pe oricare altă latură, acesta ar putea da valori ușor greșite, din cauza poziției soarelui care se modifică pe tot parcursul zilei, dinspre Est către Vest. Totodată, senzorul meteorologic, conectat nu doar la centrală, ci și la internet, se va folosi de tehnologia Internet of Things pentru a citi prognoza meteorologică pe următoarele ore și/sau zile, astfel încât sistemul de încălzire/răcire și de ventilație să funcționeze din timp și cu un consum redus de energie.

CAPITOLUL 3. Structura sistemului de calcul

În primul rând, pentru a se respecta principiul de casă pasivă și/sau autonomă din punct de vedere energetic, trebuie calculate: suprafețele de încălzit, volumele acestora, orientarea camerelor în funcție de punctele cardinale, numărul de pereți sau de suprafețe vitrate care fac legătura direct cu exteriorul, calitatea izolației din fundație, comunicarea tavanului cu un etaj preîncălzit sau cu mediul exterior, calitatea izolației, grosimea și materialul din care este fabricat peretele, suprafața spațiului vitrat și diferența de temperatură dintre interior și exterior.

Primul pas din acest proces este calcularea rezistenței termice a fiecărui element în parte. Rezistența termică a unui material este dată de raportul dintre grosimea materialului și coeficientul de transfer termic lambda (λ).

Coeficientul de transfer termic lambda (λ) se găsește pe toate materialele izolatoare.

Rezistența termică a unui material o punem nota cu R. Așadar, ecuația folosită pentru a afla rezistența termică a materialului este:

De exemplu, dacă în proiectul casei proiectate folosim ca structură din lemn tip CLT (cross-laminated timber), vom avea un coeficient de transfer ermic lambda λ=0.10 [W/m*K].

Pentru un panou cu o grosime de 0.94 [m], izolat la exterior cu un strat de 0.4 [m] polistiren expandat cu densitatea de 30 [kg/m3], iar la interior cu un strat de vată minerală de 0.06 [m] cu același coeficient lambda λ=0.040 [W/m*K], vom avea:

La fel se va calula și rezistența termică a acoperișului. Ferestrele, în funcție de tipul acestora, au valori prestabilite. Dacă se alege cel mai performant sistem de geam termopan, vom avea o rezistență termică de R=0.5 [W/mK], în condițiile în care, pentru o casă pasivă premium, indicele maxim ar trebui să fie de 0.8 [W/mK].

Acum, va trebui calculată suprafața fiecărui element în parte, suprafața geamurilor, suprafața pereților, suprafața tavanelor, suprafața ușilor.

Suprafața:

S-suprafața

L-lungimea

l-lățimea

Se vor calcula și volumele, iar apoi diferența de temperatură dintre exterior și interior.

Volumul:

V-volumul

L-lungimea

l-lățimea

h-înălțimea

Diferența de temperatură dintre exterior și interior:

ΔT- diferența de temperatură

T2-temperatura de la interior

T1-temperatura de la exterior

Urmează calculul pierderilor de căldură pe suprafață:

Uw – pierderile de căldură/necesarul termic

S-suprafața încăperii

ΔT-diferența de temperatură

R–rezistența termică calculată

După ce se efectuează calculul pentru fiecare perete, se adună totalitatea pierderilor de căldură, la care se adaugă totalitatea pierderilor pentru ferestre.

Pierderile prin fundație dieră de la fundație la fundație. La o fundație neizolată, pierderile ajung până la 15%.

La aceste calcule, se poat considera și pierderile de aer, dar doar în cazul în care nu vorbim despre ventilație cu recuperare de căldură. În cazul prezentat până acum, beneficiem de o ventilație cu recuperare de căldură, deci nu se pune problema pierderilor de aer. Cu toate acestea, pentru calculul pierderilor de aer se înmultește suprafața cu înălțimea:

Pentru a determina pierderile de căldură prin aer, se înmulțește rezultatul obținut cu 9 watti pe metru cub.

În final, se adună toate calculele pentru a observa pierderile totale de energie termică.[35]

Consumul de energie electrică al casei per total este un alt factor important pentru determinarea necesarului de panouri solare fotovoltaice și/sau cu tuburi vidate.

Astfel, se adună puterea electrică consumată de fiecare consumator:

Energia electrică se calculează după numărul de ore în care funcționează un consumator:

De exemplu, un consumator de 1000W, care funcționează 5 minute va avea următorul consum de energie electrică:

În medie, în România, o gospodărie consumă între 1.6 și 2 kWh. În proiectul prezentat, situația va fi mai diferită, în sensul că gospodăria proiectată va consuma semnificativ mai puțin. Doar încălzirea prin pompă sol-apă garantează un raport de 4:1, adică la 4 unități de căldură generată se consumă doar o unitate de energie electrică.

Pe lângă acest aspect, mai calculăm faptul că gospodăria proiectată nu necesită lumină artificială pe timpul zilei. Însă, există și consumatori mai mari, precum mașina de spălat vase sau mașina de spălat haine, aspiratorul, uscătorul de păr și așa mai departe, deci putem negerșit să presupunem că un consum real al gospodăriei poate atinge între 5 kWh-10 kWh pe zi, într-o zi în care folosim mai multe echipamente electrocasnice. Dacă dorim să satisfacem necesarul zilnic de energie electrică, trebuie să instalăm panouri fotovoltaice care să satisfacă cererea.

Asta ar însemna un consum anul de:

Practic, pentru a satisfice nevoile minime, avem nevoie de un sistem care să producă minim 1.9 kW putere instalată, până la 3.65 kW putere instalată. Tindem către limita maximă de necesar de putere instalată. Alegem un panou solar fotovoltaic de 300 W.

Așadar, alegem 13 panouri solare a câte 300 W/panou de putere instalată și va rezulta o putere instalată de 3900 W sau 3.9 kW

Acestea vor fi poziționate pe latura dinspre Nord a acoperișului de pe casă, pentru că unghiul permite atragerea razelor de energie solară necesară pe timp de vară.

Suprafața minimă de instalare a panourilor pe latura nordică este de aproximativ 40 de metri pătrați, cu o lungime de 5 metri și o lățime de 8 metri. Dimensiunea panoului ales este una standard, adică 165 cm lungime și 100 cm lățime. La un calcul simplu, putem instala fără probleme două rânduri a câte 7 panouri, având o marjă de eroare de 0.5 metri la fiecare capăt pe lățime și peste 0.85 metri disponibili la fiecare capăt pe lungime. Așadar, din moment ce avem spațiu disponibil, vom instala 14 panouri a câte 300 W, adică 4.2kW putere instalată pe partea orientată către Nord a acoperișului.

Dar, pe timp de toamnă târzie și iarnă, ziua este mai scurtă, randamentul panourilor solare va fi mult mai scăzut, așadar nu va satisface necesarul de energie. Pentru a ne face „rezerve” de energie pentru zilele de iarnă în care nu vom putea satisface necesarul de energie, precum și pentru utilizarea energiei solare câștigate pe timp de zi, pe timp de noapte, instalăm pe suprafața acoperișului, de data aceasta pe partea dinspre Sud, mult mai productivă primăvara, toamna târzie și chiar și iarna, față de panourile dinspre Nord, cât mai multe panouri.

Suprafața pe partea de Sud a acoperișului este semnificativ mai mare: tot 8 metri lățime, dar de această dată 12 metri lungime, deci un total 96 de metri pătrați.

Alegem același tip de panouri, deci 7 rânduri a câte 7 panouri.

Așadar, cu 14.7 kW putere instalată pe partea dinspre Sud a acoperișului, împreună cu 4.2 kW putere instalată pe partea dinspre Nord a acoperișului, rezultă:

Pentru ca lucrarea să fie funcțională, trebuie să alegem și un invertor, deoarece energia electrică produsă de panouri generează curent continuu, dar noi avem nevoie de curent alternativ pentru a alimenta casa și pentru a putea vărsa surplusul de energie în rețea. Aceste invertoare sunt standardizate, deci pentru o putere instalată de 18.9 kW, vom alege un invertor de 20 kW.

CAPITOLUL 4. Simularea sistemului

Scopul simulării eficienței materialelor izolatoare și a amplasamentului imobilului proiectat și prezentat este de a determina pierderile de energie ale locuinței și necesarul efectiv de energie electrică pentru întreținea locuinței pe termen mediu și lung, pentru a determina astfel și costurile economice de întreținere cu energie electrică solară și/sau din rețea, dacă este cazul.

Pentru a efectua aceste calcule și simulări, am utiliza două surse de calcul, respectiv sursa 1[36] și sursa 2[37], sau, așa cum vor fi numite în continuare, primul simulator și cel de al doilea simulator.

Pentru a determina necesarul termic cu ajutorul primului simulator vor fi introduși următorii parametri: lungimea, lățimea și înălțimea încăperii (sau direct volumul), diferența de temperatură dintre interior și exterior și se va alege valoare medie a izolației (dintre următoarele variante: izolație bună (construcții noi începând cu 1990), izolație medie (clădiri începând cu anul 1975), izolație slabă (construcții vechi), aproape fără izolație (magazii/șuri), fără izolație (corturi pe timp de primăvară/toamnă) și fără izolație (corturi pe timp de iarnă).

Pentru a determina necesarul termic cu ajuorul celui de al doilea simulator, vor fi introduși următorii parametri: localitatea, orientarea încăperii (toate variantele punctelor cardinale), izolația imobilului (foarte bine izolat, bine izolat, izolat parțial, neizolat), suprafața vitrată (cu geam termopan cu emisie termică redusă, cu geam termopan cu emisie termică normală, cu geam termopan cu emisie termică ridicată, cu geam dublu și cu geam simplu), poziționarea în imobil (parter cu nivel superior încălzit sau neîncălzit, nivel intermediar sau ultimul nivel), temperatura din încăpere, volumul încăperii, numărul de pereți către exterior și suprafața vitrată.

Fiecare încăpere a fost proiectată pentru o înălțime h=270 cm=2.7 m.

Temperatura de confort din fiecare încăpere va fi prestabilită la 23̊C.

Temperatura de la exterior va fi prestabilită la 13̊C, deci diferența de temperatură dintre interior și exterior va fi constant de 10̊C.

Suprafețele vitrate sunt dispuse după cum urmează:

Bucătărie: 6.44 [mp];

Baie 1: 1.96 [mp];

Dormitor părinți: 2.94 [mp];

Living: 27.66 [mp];

Hol acces camere în zona de Sud: 0 [mp];

Cameră de depozitat haine/diverse: 0 [mp];

Baie 2: 2.94 [mp];

Cameră de oaspeți: 1.96 [mp];

Cameră copil: 2.94 [mp];

Vestibul: 10.35 [mp];

Se va calcula pentru fiecare încăpere ca fiind poziționată la nivel intermediar în imobil, deoarece am considerat că imobilul proiectat este foarte bine izolat atât la podea, cât și la tavan.

Se consideră că imobilul este proiectat în București, deoarece în acest oraș am studiat pe perioada desfășurării studiilor de licență.

Pentru început, se va simula fiecare încăpere în parte, pentru a determina pierderile de energie în forma actuală a proiectului.

Bucătăria

Primul simulator stabilește un necesar termic de 0.39 kW.

Fig. S.4.1

Al doilea simulator stabilește un necesar termic de 0.985 kW.

Fig. S.4.2

Baie 1

Primul simulator stabilește un necesar termic de 0.23 kW.

Fig. S.4.3

Al doilea simulator stabilește un necesar termic de 0.464 kW.

Fig. S.4.4.

Dormitor părinți

Primul simulator stabilește un necesar termic de 0.56 kW.

Fig. S.4.5

Al doilea simulator stabilește un necesar termic de 0.827 kW.

Fig. S.4.6

Living

Primul simulator stabilește un necesar termic de 2.39 kW.

Fig. S.4.7

Al doilea simulator stabilește un necesar termic de 3.65 kW.

Fig. S.4.8

Hol acces camere dinspre Sud

Primul simulator stabilește un necesar termic de 1.32 kW.

Fig. S.4.9

Al doilea simulator stabilește un necesar termic de 1.3 kW.

Fig. S.4.10

Cameră de depoziare haine/diverse

Primul simulator stabilește un necesar termic de 0.28 kW.

Fig. S. 4.11

Al doilea simulator stabilește un necesar termic de 0.384 kW.

Fig. S. 4.12

Baie 2

Primul simulator stabilește un necesar termic de 0.56 kW

Fig. S.4.13

Al doilea simulator stabilește un necesar termic de 0.83 kW.

Fig. S.4.14

Cameră de oaspeți

Primul simulator stabilește un necesar termic de 0.56 kW.

Fig. S.4.15

Al doilea simulator stabilește un necesar termic de 0.83 kW.

Fig. S.4.16

Dormitor copil

Primul simulator stabilește un necesar termic de 0.28 kW.

Fig. S.4.17

Al doilea simulator stabilește un necesar termic de 0.45 kW.

Fig. S.4.18

Vestibul

Primul simulator stabilește un necesar termic de 0.9 kW.

Fig. S.4.19

Al doilea simulator stabilește un necesar termic de 1.9 kW.

Fig. S.4.20

Astfel, totalul de necesar termic după simularea efectuată cu ajutorul primului simulator este de 7.48 kW.

Fig. 4.1 Graficul necesarului de putere în funcție de volumul încăperii (rezultate în urma utilizării primului simulator)

După simularea efectuată cu ajutorul celui de al doilea simulator, necesarul termic este de 11.613 kW.

Fig. 4.2 Necesarul de putere în funcție de volumul încăperii (rezultate folosind al doilea simulator)

Având în vedere, însă, că folosim un recuperator de căldură pentru imobilul proiectat, cu un raport de consum de 4:1, vom avea nevoie în mod real de doar 1.87 kW, în cazul în care ne orientăm după calculele efectuate cu ajutorul primei surse de simulare, sau de un necesar real de doar 2.9 kW, dacă ne orientăm după simulările efectuate cu al doilea simulator.

Dacă repetăm, însă, simulările anterioare pentru o casă cu o suprafață vitrată mult mai mare, respectiv 80% din suprafața preților exteriori (peretele exterior al camerei de depozitare nu a fost convertit în perete de sticlă), deci o izolație mult mai slabă, necesarul termic utilizând a doua sursă de simulare va fi de 19.997 kW. Primul simulator nu a putut fi folosit, deoarece nu putem calcula și suprafața vitrată cu ajutorul lui.

Fig. 4.3 Necesarul termic în cazul în care pereții imobilului ar fi de sticlă în proporție de 80%

Rezultatele ar fi diferite și dacă am păstra aceeași configurație a casei, dar am renunța complet la suprafața vitrată. Tot cu ajutorul celui de al doilea simulator, am obținut, pentru un astfel de caz ipotetic, un necesar termic de 8.087 kW.

Fig. 4.4 Necesarul termic pentru clădirea proiectată, dacă aceasta nu ar avea deloc ferestre

Dacă am fi proiectat imobilul cu 50% din suprafața pereților reprezentând suprafață vitrată, necesarul termic total pentru încălzirea casei în condițiile propuse ar fi de 10.482 kW. Reprezentarea grafică a necesarului termic în funcție de volumul încăperii va arăta, în acest caz, astfel:

Fig. 4.5 Necesarul termic pentru clădirea proiectată, dacă 50% din suprafața pereților ar fi suprafață vitrată (rezultate obținute cu ajutorul celui de al doilea simulator)

CAPITOLUL 5. Optimizarea sistemului

Pentru a optimiza necesarul termic calculat în simulările din capitolul anterior, vom efectua câteva modificări:

Se va renunța la trei suprafețe vitrate generoase: cele două geamuri de la intrarea dinspre Nord, plus geamul de pe peretele de la intrarea dinspre Sud (prin vestibul)

Se va renunța la unul dintre cele două geamuri de pe latura dinspre Vest a livingului, iar al doilea va fi redimensionat pentru a oferi o suprafață vitrată de doar 3 mp pentru întreg livingul

Se va renunța la suprafața vitrată de pe latura de Vest a livingului, aflată între dormitorul părinților și camera de dopzitare a hainelor/diverselor obiecte

Se vor redimensiona suprafețele vitrate rămase, astfel încât nicio suprafață vitrată actuală să nu depășească 2 mp după redimensionare, mai puțin în bucătărie, unde vom avea două fereste a câte 2 mp, pe doi pereți diferiți: cel dinspre Nord și cel dinspre Est.

Așadar, redimensionată, noua casă va arăta astfel:

Fig. 5.1 În partea stângă; vedere dinspre N-V

Fig. 5.2 În partea dreaptă; vedere dinspre S-E

Sistemul a fost optimizat astfel încât să putem obține un nivel minim de luminozitate necesar pentru confort și pentru realizarea în condiții optime de lumină naturală a activităților zilnice.

Prin urmare, în urma redimensionării suprafețelor de sticlă prin care se pierdea mai multă căldură, vom obține următoarele rezultate utilizând cel de al doilea simulator pentru simularea și calcularea necesarului termic:

Bucătărie: 0.849 kW

Baie 1: 0.529 kW

Dormitor părinți: 0.827 kW

Living: 1.985 kW

Hol acces dinspre Sud: 1.29 kW

Cameră de depozitare haine/diverse: 0.384 kW

Baie 2: 0.827 kW

Cameră de oaspeți: 0.827 kW

Dormitor copil: 0.514 kW

Vestibul: 1.699 kW

În final, suma totală a necesarului de căldură de după redimensionarea suprafețelor vitrate în vederea optimizării necesarului termic, conform celui de al doilea simulator utilizat, este 9.731 kW. Așadar, cu aproape 2 kW mai puțin, mai precis 1.882 kW.

Fig. 5.1 Necesarul termic după optimizarea clădirii proiectate, prin reducerea suprafețelor vitrate

CONCLUZII

O casă autonomă sau pasivă inteligentă nu poate funcționa la parametri maximi de eficiență fără ajutorul tehnologiei inteligente de achiziții de date.

Orientarea unei case pasive sau autonome după punctele cardinale oferă un plus din punct de vedere energetic, pentru că se pot lua măsuri pentru eficientizarea izolației și ajustarea atât a consumului de energie electrică, a necesarului termic, dar și al achiziției de energie electrică solară prin intermediul panourilor solare instalate.

Izolația termică temeinică a fundației și a acoperișului evită pierderile de căldură mari și ajută la eficientizarea sistemului de încălzire și de răcire al casei, precum și conduce la un consum mai mic de energie electrică.

Structura propusă a casei, bazată pe lemn de tip CLT coduce la o izolație mai puternică a imobilului, având un coeficient de transfer termic mult mai mic față de cărămida, BCA-ul, betonul sau alte materiale de construcții. În combinație cu izolatori ca polistirenul expandat sau vata minerală conduce la o izolație termică de cea mai înaltă calitate, deci datele calculate ale necesarului de energie termică sunt, de fapt, considerabil mai mici.

Sistemele de panouri solare on-grid, care injectează în rețea surplusul de energie sunt mai eficiente din punct de vedere economic față de panourile solare off-grid, care încarcă un număr de acumulatori. Acumulatorii sunt scumpi, au o durată de viață destul de mică și nu sunt rentabili din punct de vedere economic la momentul actual, însă soluția injectării în rețea a surplusului de energie electrică (adică avantajul de a deveni prosumator) este mai eficientă, deoarece surplusul de energie electrică injectat în rețea pe timpul zilei primăvara, vara și toamna poate fi echivalat cu cantitatea de energie electrică extrasă din rețea pe timp de noapte, în zilele mai puțin productive, sau iarna. Indiferent de cât va crește (foarte probabil) sau cât va scădea (foarte puțin probabil) prețul unui kW, tu vei extrage din rețea cu același preț cu care injectezi. Practic, nu este un model de afacere, ci o investiție pe termen lung.

Randamentul panourilor solare scade cu 10% după aproximativ 15 ani, deci se poate anticipa un necesar de putere instalată din timp. Chiar dacă nu vor avea randament maxim și după 15, 20 sau 25 de ani, panourile tot vor produce suficient cât să îți poți alimenta gospodăria.

Sondele geotermale de căldură sol-apă consumă o unitate de energie electrică la patru unități de energie termică produse, deci sunt mult mai eficiente decât o centrală termică convențională.

Panourile solare cu tuburi vidate, produse pentru încălzirea apei, au randament mai bun pe timp de iarnă decât panourile solare fotovoltaice, motiv pentru care trebuie să fie luate în calcul în proiectarea inițială a necesarului de panouri în funcție de nevoi.

Cele mai mari pierderi de căldură dintr-o locuință au loc prin suprafețele vitrate, din cauza rezistenței mai mici la transferul de căldură al geamurilor.

Sistemele de ventilație cu recuperare de căldură salvează un procent important de energie termică, deoarece aerul proaspăt intră în locuință deja încălzit în proporție de 80-90% de către aerul consumat și eliminat simultan din locuință.

Sistemul de încălzire prin pardoseală este mai eficient decât sistemul de încălzire cu ajutorul unui calorifer sau radiator, deoarece apa care trece prin pardoseală trebuie încălzită la o temperatură mult mai mică, iar căldura din pardoseală se ridică și se disipă în încăpere uniform.

Sistemul de răcire al unei case pasive sau autonome prin intermediul tubulaturii instalate în pereți și tavan, prin care circulă apă rece, este mai eficient decât un aer condiționat, deoarece apa trebuie răcită foarte puțin, iar temperatura descrește uniform în toată încăperea.

Datele simulate și calculate ale necesarului termic sunt mai mici în realitate, deoarece nu s-au luat în calcul (în simulare) grosimea pereților, grosimea izolației, noii coeficienți termici ai materialelor de izolație, izolația fundației și cantitatea de căldură provenită de la soare în diferitele perioade de timp (momentul zilei, anotimpul).

Randamentul panourilor solare ține și de înclinația panourilor pe suprafața pe care acestea sunt montate, astfel încât razele soarelui să cadă perpendicular pe panou.

În zilele de toamnă și iarnă, panourile solare produc mai puțină energie electrică nu doar din cauza perioadei mai scurte de timp în care avem parte de lumină naturală, respectiv de raze solare, ci și dintr-o serie de alți factori: soarele este mai îndepărat de Pământ în lunile de iarnă, norii activează ca un filtru în calea razelor soarelui, în antimpurile reci crește cantitatea de praf și de particule care acționează așadar tot ca un filtru.

Randamentul panourilor solare poate fi scăzut și din cauza murdăriei, a prafului sau al obiectelor (copaci, stâlpi, etc.) care pot umbri suprafața pe care se află celulele fotovoltaice ale panourilor, element ce trebuie luat în calcul în momentul proiectării.

Am recomandat în faza de proiectare structura casei pe bază de lemn de tip CLT (cross-laminated timber), deoarece lemnul de tip CLT nu degajă dioxid de carbon, precum betonul, ci activează invers, ca un absorbant al dioxidului de carbon. Acest aspect este important pentru a ne încadra în standardele unei case pasive sau autonome.

Spațiile vitrate proiectate au fost gândite pentru a asigura cât mai multă căldură naturală pe timp de iarnă, când soarele se află la unghi favorabil pătrunderii razelor de lumină (deci implicit de căldură) în casă, pentru a folosi cât mai puțin cu putință sistemul de încălzire. Totodată, razele de lumină emise de soare nu au posibilitatea de a intra în living pe timp de vară, datorită parasolarelor (sau ale acoperișului) gândit să blocheze accesul acestora în casă prin spațiul vitrat proiectat.

Pentru a evita o lipsă de alimentare a casei cu energie electrică în cazul unei căderi de tensiune noaptea sau în condiții meteorologice nefavorabile producției de energie electrică de către panourile solare, se pot utiliza niște acumulatori care să înmagaineze o parte din energia electrică produsă de panouri, astfel încât, la o eventuală avarie, să poată susține o perioadă de timp nevoile energetice ale locuinței. Practic, ar funcționa cu o sursă de curent suplimentară în caz de extremă urgență.

Anticiparea schimbărilor de temperatură prin senzorii meteorologici propuși are rolul de a pregăti din timp necesarul de energie termică pentru situațiile în care temperatura și umiditatea își vor schimba valorile, pentru a gestiona eficient sistemul de încălzire, răcire sau de ventilație la un consum de energie electrică constant și redus.

În cadrul măsurătorilor nu s-au luat în calcul câștigul de energie termică generat de cedarea de căldură a corpului uman al persoanelor aflate în locuință. Este binecunoscut, însă, faptul că noi eliminăm căldură constant, în funcție de activitatea în care suntem angrenați în acel moment.

Un alt câștig important de căldură va avea loc în momentul în care vor funcționa mai multe dispozitive electronice sau electrocasnice simultan: fiecare dispozitiv cedează o cantitate de căldură (considerabilă într-o locuință foarte bine izolată) pe parcursul funcționării.

Sistemul inteligent de achiziții de date poate monitoriza consumul efectiv de enegie electrică al casei, pentru a se optimiza procesele desfășurate de locuitorii imobilului, astfel încât să câștige din punct de vedere eneretic.

Diferențele dintre rezultatele oferite de cele două programe utilizate pentru simularea pierderilor energetice sunt pur orientative și diferă din cauza unor factori: primul simulator nu ia în calul grosimea pereților, coeficientul exact de transfer al energiei termice, orientarea casei sau a camerelor față de punctele cardinale și nici nu calculează suprafața vitrată, în timp ce al doilea simulator nu calculează diferența exactă de temperatură dintre interior și exterior, nu ia în considerare grosimea pereților, coeficientul de transfer termic de energie este prestabilit pe baza unor parametri generali, iar orientarea camerelor față de punctele cardinale nu este luată în considerare pentru un moment specific al zilei.

ANEXE

Fig. 1.1 Primul dimmer fabricat de Lutron Electronics Company Inc.

Fig. 1.2 Ilustrație a principiului de funcționare a rețelei de tip plasă ZigBee

Fig. 1.3 Produsele ZigBee oferă interoperabilitate cu alte produse ZigBee de pe piață, dar produse de alt producător de echipamente

Fig. 1.4 Fig. 1.5

Fig. 1.6 O ilustrație a componentelor unei rețele ZigBee

Fig. 1.7 Ilustrație a modului în care funcționează rețaua de tip plasă Z-Wave

Tabel 1.1

Tabel 1.2

Fig. 1.8 Exemplu de casă autonomă

Fig. 1.9 Un exemplu de casă pasivă este Casa Pasivă din interiorul campusului Universității Politehnica din București

Fig. 2.1.1 Planul casei, privire de ansamblu

Fig. 2.1.2 Vedere dinspre Nord-Vest. Razele soarelui încălzesc iarna casa, nu furnizează doar lumină, în timp ce vara furnizează doar lumină, nu și căldură excesivă

Fig. 2.1.3 Vedere dinspre Sud-Est. Ilustrație: cum încălzesc razele soarelui natural, dimineața, încăperile cu ferestre spre Est.

Fig. 2.1.4 Vedere dinspre Nord-Sud. Soarele încălzește natural baia principală și camera de oaspeți, dar nu și living-ul, deși oferă suficientă lumină pentru activitățile cuente din timpul zilei.

Fig. 2.1.5 În această imagine se poate observa diferența dintre unghiul de înclinare a acoperișului pe zona de Nord, față de unghiul de înclinare ales pentru zona de Sud.

Fig. 2.1.6. Principiul de funcționare al unui recuperator de căldură. Ilustrație

Fig. 2.1.7. Structură tip fagure. Ilustrație

Fig. 2.1.8 Încălzirea prin pardoseală vs. încălzirea prin calorifer

Fig. 2.1.9. Funcționarea sistemului de încălzire/răcire cu ajutorul unei pompe geotermale sol-apă.

Fig. 2.1.10. Sistem de încălzire a apei menajere cu ajutorul panourilor solare cu tuburi vidate

Fig. 4.1 Graficul necesarului de putere în funcție de volumul încăperii (rezultate în urma utilizării primului simulator)

Fig. 4.2 Necesarul de putere în funcție de volumul încăperii (rezultate folosind al doilea simulator)

Fig. 4.3 Necesarul termic în cazul în care pereții imobilului ar fi de sticlă în proporție de 80%

Fig. 4.4 Necesarul termic pentru clădirea proiectată, dacă aceasta nu ar avea deloc ferestre

Fig. 4.5 Necesarul termic pentru clădirea proiectată, dacă 50% din suprafața pereților ar fi

Fig. 5.1 În partea stângă; vedere dinspre N-V

Fig. 5.2 În partea dreaptă; vedere dinspre S-E

Fig. 5.1 Necesarul termic după optimizarea clădirii proiectate, prin reducerea suprafețelor vitrate

Figurile de la S.4.1-S. 4.20 sunt capturi de ecran din cadrul simulatoarelor utilizate*

Bibliografie

Patentul înregistrat de J.Spira poate fi consultat aici: https://patents.google.com/patent/US3032688

Sursa foto: https://medium.com/@MattyIce2112/the-dimmer-ba024fa84380

Info via https://en.wikipedia.org/wiki/Electronic_Industries_Alliance

Foto via https://www.eeupdate.com/2019/04/connect-zigbee-30-webinar-by-ti.html

Foto și informații via Daintree Networks, Getting Started with ZigBee and IEEE 802.15.4, White paper, 2008.

Harold Stark, "The Ultimate Guide to Building Your Own Smart Home In 2017," Forbes, 22 mai, 2017

Oliver Kaven, "Zensys' Z-Wave Technology," PC Magazine, 8 ianuarie, 2005.

Foto via https://smarterhome.sk/en/blog/hierarchy-of-the-z-wave-system_39.html

David Ehrlich, "Sigma Designs Buying Smart Network Chipmaker Zensys," GigaOm, 18 decembrie, 2008.

Olivier Hersent, David Boswarthick and Omar Elloumi, The Internet of Things: Key Applications and Protocols, West Sussex: John Wiley & Sons, capitolul 8, 2012.

Lou Frenzel, "What's The Difference Between ZigBee And Z-Wave?" Electronic Design, 29 martie , 2012.

Secțiunea ”Territories”, informații gratuite disponibile pe site-ul products.z-wavealliance.org.

William Wong, "Q&A: S2's Impact on Z-Wave and IoT Security," Electronic Design, 17 ianuarie, 2017.

Ken Briodagh, "Mandatory Security Implementation for Z-Wave IoT Devices Takes Effect," IoT Evolution, 4 aprilie, 2017.

Brandon Lewis, "Z-Wave opens up as smart home connectivity battle closes in," Embedded Computing Design, 2 septembrie 2016.

Kevin Parrish, "ZigBee, Z-Wave, Thread and WeMo: What's the Difference?" Tom's Guide, 14 iulie 2015.

Brandon Lewis, "Z-Wave opens up as smart home connectivity battle closes in," Embedded Computing Design, 2 septembrie 2016.

https://bosscontrols.com/building-internet-things/

Dragoș Deaconu, Aurel Chirilă, „Sisteme inteligente și Domotică”, Cursul 8, slide 5, 2020

Foto via https://www.livingtinyandgreen.com/

Foto via https://www.facebook.com/casapasivaupb/photos/a.1456513207961252/1456513214627918/?type=3&theater

Informații via "Home". Institute for Housing and the Environment.

Dragoș Deaconu, Aurel Chirilă, „Sisteme inteligente și Domotică”, Cursul 8, 2020

https://passivehousebuildings.com/books/phc-2019/five-principles-of-passive-house-design-and-construction/

Scheme realizate cu programul: Planner5d.com

Informații via https://www.descopera.ro/dnews/16240047-zece-lucruri-fascinante-care-ti-se-intampla-atunci-cand-dormi

Inormații via https://www.constructosu.eu/ce-este-adancimea-de-inghet-si-cum-ne-raportam-la-ea/

Informații via http://www.dulley.com/art/mf12-mar.htm

Informații și foto via https://hammerandhand.com/high-performance-building-101/components/heat-recovery-ventilation/

Informații și foto via http://paul-waermetauscher.de/en/product-information/standard-heat-exchangers-hrv.html

Informații și foto via http://geothermalheatpumpconsortium.org/

Informații și foto via https://nzgeothermal.org.nz/heat-pumps-new-zealand-geothermal-association/geothermal-heat-pumps/

Informații și foto via https://nzgeothermal.org.nz/heat-pumps-new-zealand-geothermal-association/geothermal-heat-pumps/

https://www.e-education.psu.edu/egee102/node/2097

Informații și foto via https://adriansarbescu.ro/calcul-necesar-caldura-kw/

Informații via https://ro.trotec.com/produse-si-servicii/service/calcul-capacitate/calcul-capacitate-incalzire/

Informații via https://casasidesign.ro/calculator-necesar-termic.html#salt