Download - Teza Doctorat Anca Ionescu
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
1/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
1
Universitatea Tehnicade Constructii Bucuresti
UNIVERSITATEA TEHNIC DE CONSTRUCII
BUCURETIFacultatea de Inginerie a Instalaiilor
TEZ DE DOCTORAT
Cercetri privind consumul de energiepentru climatizarea cldirilor
Doctorand
Ing.Anca Maria IONESCUConductor tiinific
Prof.univ.dr.ing. Iolanda COLDA
BUCURETI2011
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
2/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
2
Titularul prezentei teze de doctorat a beneficiat pe ntreagaperioad a stagiului de pregtire doctoral de burs atribuitprin proiectul Burse doctorale pentru ingineria mediuluiconstruit, codPOSDRU/59/1.5/S/2, beneficiar UTCB,proiect
derulat n cadrulProgramului Operaional Sectorial DezvoltareaResurselor Umane,finanat din Fondurile Structurale Europene,din Bugetul naional i cofinanat de ctre UTCB.
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
3/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
3
MULUMIRI
Doresc, n primul rnd, s adresez ntreaga mea recunotin i consideraie
conductorului meu tiinific, Prof. Univ. Dr. Ing. Iolanda COLDA, care m-a ndrumat cu
profesionalism i tact pedagogic pe durata pregtirii doctorale i care m-a susinut n momentele
grele. i mulumesc pentru ncrederea, sprijinul i atenta ndrumare pe care mi le-a oferit n toi
aceti ani.
Le mulumesc distinilor profesori membri ai comisiei de doctorat: domnului Prof. Univ.
Dr. Ing. erban LAZR preedinte Decan, Universitatea Tehnic de Construcii Bucureti,
doamnei Prof. Univ. Dr. Ing. Iolanda COLDA conductor tiinific membru Universitatea
Tehnic de Construcii Bucureti, domnului Conf. Univ. Dr. Ing. Vasilic CIOCAN referent
membru Universitatea Tehnic Gheorghe Asachi din Iai, doamnei Conf. Univ. Dr. Ing.
Marina VERDE referent membru Universitatea Tehnic Gheorghe Asachi din Iai,
domnului Conf. Univ. Dr. Ing. Andrei DAMIAN referent membru Universitatea Tehnic
de Construcii Bucureti, pentru faptul c au acceptat s fac parte din comisia de doctorat i
pentru sugestiile constructive fcute n urma analizrii tezei mele, care au ajutat la mbuntirea
coninutului tezei.
De asemenea doresc s mulumesc doamnei ef de Lucrri Dr. Ing. Andreea VARTIRES
pentru ndrumarea i sprijinul acordat n realizarea tezei.
Mulumesc tuturor profesorilor mei i Universitii Tehnice de Construcii Bucureti care
au contribuit la formarea mea profesional i tiinific.
Mulumesc din inim familiei i tuturor celor apropiai care m-au sprijinit i m-au
ncurajat pe ntreaga perioad de desfurare a doctoratului.
Anca Maria IONESCU
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
4/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
4
CUPRINS
Capitolul 1 : PROBLEMATICA GENERAL REFERITOARE LA CONSUMUL DE
ENERGIE DIN CLDIRI
I.1. Cadrul legislativ
I.2. Obiectivul lucrrii
I.3. Descrierea cldirii i a elementelor de anvelop
I.4. Condiiile de confort i calitatea aerului
I.5. Necesarul de energie la nivelul cldirii
I.5.1. Transferul de cldur
I.5.2. Aporturile interioare de caldura
I.6. Consumul de energie n cldiriI.7. Datele climatice
I.8. Sistemul de rcire
Capitolul 2 : CALCULUL CONSUMULUI DE ENERGIE PENTRU CLIMATIZAREA
CLDIRILOR PRIN CALCUL LUNAR
II.1. Descrierea general a metodei de calcul
II.1.1. Transferul de cldur
II.1.2. Aporturile interioare de cldurII.1.3. Perioada de racire
II.1.4. Situaia rcirii intermitente
II.2. Ipoteze de calcul
II.2.1. Ipoteze legate de cldire
II.2.2. Programul de funcionare
II.3. Studii de caz
II.3.1. Cazul 1 de referin - Debitul de aer proaspt este introdus cu temperatura
interioar de calculII.3.2. Cazul 2: Debitul de aer proaspt este introdus cu temperatura exterioar
II.3.3. Cazul 3: Variaia numarului de ocupani
II.3.4. Cazul 4: Debitul de aer proaspt este introdus cu temperatur variabil
II.4. Comparaie ntre cazuri i concluzii
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
5/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
5
Capitolul 3 : CALCULUL CONSUMULUI DE ENERGIE PENTRU CLIMATIZAREA
CLDIRILOR PRIN METODE DINAMICE SIMPLIFICATE
III.1. Metoda orar bazat pe analogia termo-electric
III.1.1 Rezolvarea ecuaiei cldurii prin metoda diferenelor finite. Aplicarea
analogiei electrice pentru un perete omogen.
III.1.2. Comentarii privind metoda de calcul analogic
III.2. Programul CoDyBa
III.2.1. Descrierea general a programului de simulare
III.2.2. Aplicarea analogiei electrice pentru programul CoDyBa
III.2.3. Introducerea datelor de intrare n program
III.3. Studii de caz
III.3.1. Cazul 1 de referin - Debitul de aer proaspt este introdus cu temperatura
interioar de calcul
III.3.2. Cazul 2: Debitul de aer proaspt este introdus cu temperatura exterioar
III.3.3. Cazul 3: Variaia numarului de ocupani
III.4. Compararea rezultatelor cu cele obinute prin calcul lunar
Capitolul 4 : CALCULUL CONSUMULUI DE ENERGIE PENTRU CLIMATIZAREA
CLDIRILOR PRIN METODE DINAMICE AVANSATE
IV.1. Programul Trnsys
IV.1.1. Descrierea general a programului de simulare
IV.1.2. Avantajele programului
IV.1.3. Introducerea datelor de intrare n program
IV.2. Studii de caz
IV.2.1. Cazul 1 de referin - Debitul de aer proaspt este introdus cu temperatura
interioar de calcul
IV.2.2. Cazul 2: Debitul de aer proaspt este introdus cu temperatura exterioar
IV.2.3. Cazul 3: Variaia numarului de ocupani
IV.2.4. Cazul 4: Debitul de aer proaspt este introdus cu temperatur variabil
IV.3. Compararea rezultatelor cu cele obinute prin calcul lunar
Capitolul 5: CONCLUZII,CONTRIBUII PERSONALE,DIRECII DE CERCETARE
BIBLIOGRAFIE
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
6/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
6
Capitolul 1
PROBLEMATICA GENERAL REFERITOARE LA CONSUMUL
DE ENERGIE DIN CLDIRI
I.1. Cadrul legislativ
n contextul schimbrilor pe plan climatic i diminurii rezervelor de combustibili fosili,
scderea consumului de energie a devenit un obiectiv important al ri lor din Uniunea
European, printre care i Romnia. Pentru a ndeplini acest obiectiv s -au elaborat o serie de
msuri legislative care au drept int limitarea consumului de energie.Cldirile sunt responsabile pentru 40% din totalul consumului de energie n Uniunea
European. Sectorul construciilor se afl n expansiune, ceea ce va duce la creterea consumului
de energie. Prin urmare, reducerea consumului de energie i utilizarea energiei din surse
regenerabile n sectorul cldirilor constituie msuri importante necesare pentru reducerea
dependenei energetice a Uniunii i a emisiilor de gaze cu efect de ser. [34]
Pe plan european
Cuantificarea consumului de energie are o importan major deoarece, pn la 31decembrie 2020, toate cldirile noi construite n UE vor trebui s produc aceeai cantitate de
energie pe care o consum, adic vor fi cldiri al cror consum de energie este aproape egal cu
zero, conform legislatiei adoptate de Parlamentul European. [34] Intervalul pe care sa face
calculul va fi de un an.
n Carta Verde (COM 769) din 29 noiembrie 2000, Pentru o Strategie European n
Aprovizonarea cu Energie, Comisia UE a stabilit trei aspecte legate de necesitatea promovrii
economisirii de energie:
- securitatea aprovizionrii cu energie, dac nu se iau msuri, dependena de import va atinge70% n 2030, fa de 50% n prezent,
- problemele de mediu sunt din ce n ce mai accentuate, iar 94% din producia de emisii de
gaze are loc n procesele de producere i utilizare a energiei,
- UE are o influen limitat asupra condiiilor de aprovizionare cu energie.
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
7/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
7
De aceea este necesar s se intervin pe partea necesarului de energie (DSM Demand Side
Management) prin promovarea economiilor de energie n sectoarele cldirilor i
transporturilor.[72]
Sectoarele cldirilor rezideniale i teriare (birouri, spaii comerciale, hoteluri,
restaurante, coli, spitale, sli de sport, piscine interioare) sunt cele mai mari consumatoare finale
de energie, n special, pentru nclzire, iluminat, aparatur electrocasnic i echipamente.
Numeroase studii precum i experiena practic au artat c n aceste sectoare exist un mare
potenial de economisire de energie.
n Carta Verde (COM 769) din 29 noiembrie 2000, Comisia reafirm un obiectiv mai
vechi: n fiecare an, s se imbunteasc intensitatea energetic a consumului final cu 1% mai
mult dect ar fi fost atins n mod normal. inta stabilit este de 9% reducere n consumul final de
energie msurat n cel de-al 9-lea an de aplicare a acestei directive. Pentru sectorul cldirilor,
acest obiectiv ar rezulta n evitarea a 100 Mt/an emisii de CO2 sau aproximativ 20% din
angajamentul UE la Kyoto. [72]
Constannd c promovarea programelor pentru tehnologii noi nu a fost foarte eficient i
c exist diferene considerabilentre nivelurile de performan energetic cerute de standardele
actuale ale statelor membre, Parlamentul European i Consiliul UE au adoptat n decembrie 2002
Directiva 2002/91/EC asupra Performanei Energetice a Cldirilor. Obiectivul principal al
acestei Directive este de a promova mbunatairea performanei energetice a cldirilor n cadrul
UE, sub rezerva unei abordri integrate astfel nct numai msurile eficiente din punct de vedere
economic s fie implementate. Dat fiind durata de via a cldirilor (ntre 50 i 100 ani), cel mai
mare potenial de imbuntire a performanei energetice pe termen scurt i mediu se afl la
cldirile existente. Directiva i propune s stabileasc un cadru care va conduce la o mai bun
coordonare ntre legislaiile statelor membre n acest domeniu. Directiva are n vedere
urmtoarele patru obiective: [33]
- stabilirea unui cadru general pentru o metodo logie comun de calcul a performanei
energetice integrate a cldirilor
- aplicarea unor standarde minime de performan energetic pentru cldirile noi si
anumite cldiri existente (de exemplu, mai mari de 1000 mp), atunci cnd acestea sunt
renovate
- schemele de certificare pentru cldirile noi sau existente pe baza standardelor de mai sus
i expunerea public a certificatelor de performan energetic precum si a temperaturilor
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
8/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
8
interioare recomandate i a altor factori climatici relevani in cldirile publice i cldirile
frecventate de ctre public. Certificatele trebuie s nu fie mai vechi de 5 ani, sa includ
recomandri privind imbuntirea performanei energetice i s fie disponibile atunci
cnd cldirile sunt vndute sau inchiriate
- inspecii specifice i revizia cazanelor i a instalaiilor de inclzire/rcire: cazanele avnd
o putere nominal intre 10 i 100 kW trebuie inspectate regulat, cazanele avnd o putere
nominal de peste 100 kW trebuie inspectate la interval de 2 ani, inspectarea intregii
instalaii de inclziren cazul n care cazanele sunt mai mari de 10 kW i mai vechi de 15
ani.
Aceast Directiv a fost completat ulterior prin Directiva 2010/31/EC a Parlamentul
European i Consiliul UE privind performana energetic a cldirilor, adoptat la Strasbourg la
19 mai 2010. ncepnd cu 1 februarie 2012, Directiva 31/2010 va nlocui Directiva 91/2002,
aceasta din urm urmnd a fi abrogat. Noua Directiv a aprut datorit necesitii stabilirii unor
aciuni mai concrete, care s vizeze exploatarea marelui potenial, nc nevalorificat, al
economisirii de energie n sectorul cldirilor i reducerea marilor decalaje ntre statele membre n
ceea ce privete rezultatele obinute n acest sector.
Obiectivele Directivei 31 rmn aceleai ca i n cazul Directivei 91, mai sus menionate.
La acestea se adug obligativitatea statelor membre de a elabora planuri naionale pentru
creterea numrului de cldiri al cror consum de energie este aproape egal cu zero. Acest
obiectiv vine n ntmpinarea legislaiei Europene conform creia din 2021 toate cldirile noi
construite vor fi cldiri zero energie iar din 2019 cldirile noi ocupate i deinute de autoritile
publice sunt cldiri al cror consum de energie este aproape egal cu zero. Planurile naionale
trebuie s cuprind printre altele: [34]
- informaii privind politicile i msurile financiare pentru promovarea cldirilor al cror
consum de energie este aproape egal cu zero,
- msurile naionale referitoare la utilizarea energiei din surse regenerabile n cldirile noi
i n cldirile existente care fac obiectul unor renovri majore
- obiective intermediare privind mbunttirea performantei energetice a cldirilor noi,
pn n 2015
- stabilirea unui indicator numeric (exprimat n kWh/m2 pe an) utilizat pentru stabilirea
consumului de energie primar, care se poate baza pe valorile medii anuale naionale sau
regionale i poate ine seama de standardele europene relevante
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
9/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
9
Aceste planuri naionale sunt transmise periodic Comisiei, care le evaluaz i public un
raport pn la 31 decembrie 2012 i ulterior o dat la trei ani, privind progresele nregistrate de
statele membre privind creterea numrului de cldiri al cror consum de energie este aproape
egal cu zero. Pe baza acestui raport, Comisia elaboreaz un plan de aciune referitor la
transformarea cldirilor existente n cldiri al cror consum de energie este aproape egal cu zero.
Directiva 31/2010 introduce nou conceptul de nivel optim din punct de vedere al
costurilor. Acesta reprezint nivelul de performan energetic care determin cel mai redus
cost pe durata normat de funcionare rmas a unei cldiri sau a unor elemente de cldire.
Pentru a determina nivelul optim din punctul de vedere al costurilor, se face o analiz cost-
beneficiu calculat pe durata normat de funcionare, care trebuie s fie pozitiv.
Pe plan naional
Avnd in vedere atenia deosebit ce se acord pe plan european economiei de energie i
proteciei mediului precum i pentru asigurarea condiiilor de armonizare a reglementrilor
naionale cu cele europene referitoare la cerina de economie de energie, n ultimii ani au fost
elaborate o serie de acte legislative n acest domeniu.
Elaborarea Legii nr. 199/13.11.2000 Legea eficienei energetice, avnd ca scop crearea
cadrului legal pentru elaborarea i aplicarea unei politici naionale de utilizare eficient a
energiei, n conformitate cu prevederea tratatului Cartei Energiei, ale Protocolului Cartei
Energiei privind eficiena energetic i aspectele legate de mediu i cu principiile care stau la
baza dezvoltrii durabile, n cadrul creia se instituie obligaii i stimulente pentru productorii i
consumatorii de energie, n vederea utilizrii eficiente a acesteia.
Elaborarea Normelor metodologice pentru aplicarea Legii 199/2000 privind utilizarea
eficient a energiei, aprobate prin Hotrrea Guvernului Romniei nr. 393/ 18.04.2002, in care se
definesc programele de eficien energetic, societile comerciale de management i servicii
energetice i se specific stimulentele fiscale i financiare pentru activiti care duc la cretereea
eficienei energetice.
Legea 372 din 13.12.2005 privind performana energetic a cldirilor (publicat in
Monitorul Oficial nr. 1 Partea I din 19.12.2005). Aceast lege transpune Directica 2002/91 n
legislaia romneasc. Conform legii, s-a instituit obligativitatea evaluarii performanei
energetice a cldirilor noi i existente, cldirile noi trebuie s se conformeze unor cerinte minime
privind performana energetic. Astfel, performana energetic a cldirilor trebuie s fie calculat
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
10/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
10
pe baza unei metodologii comune pentru rile europene, bazat pe standardele europene CEN
ISO existente deja sau care vor mai fi elaborate in continuare, dar care poate fi difereniat la
nivel regional, lundu-se ins in consideraie condiiile climatice locale i care, pe lng izolaia
termic include i ali factori cu un rol din ce in ce mai important, cum ar fi instalaiile de
inclzire i de condiionare a aerului, folosirea surselor de energie regenerabila i configuraia
cldirii. Un sistem de certificare a cldirilor va contientiza mult mai bine proprietarii, chiriaii i
utilizatorii aspra nivelurilor de consum de energie. [60]
Pentru realizarea condiiilor de implementare a prevederilor din actele legislative
prezentate mai sus, pe parcursul mai multor ani au fost elaborate o serie de reglementri noi sau
au fost revizuite cele existente. Aceast activitate s-a desfurat pe dou direcii:
- activitate coordonat de MDLPL (n prezent MDRT), in cadrul creia au fost elaborate
reglementri tehnice de tip: normativ, ghid, metodologie, specificaie tehnic, soluii cadru,
- activitate coordonat de ASRO, in cadrul creia au fost adoptate standarde europene ca
standarde romneti.
Printre aceste reglementri tehnice se numr i Metodologia de evaluare a performanei
energetice a unei cldiri MC001, reglementat prin OM 157/2007; aceasta transpunen Romnia
prevederile Directivei 2002/91/CE conform Legii nr. 372/2005 privind performana energetic a
cldirilor. Normativul menionat este compus din trei pri: metodologia de determinare a
caracteristicilor hidro-termo-energetice ale elementelor cae alctuiesc anvelopa cldirii,
metodologia de analiz a instalaiilor i echipamentelor cldirii i metoda de ntocmire a
auditului energetic al cldirii i a certificatului de performan energetic a cldirii.
Ulterior, Ordinul 1071/16.12.2009 modific i completeaz OM 157/2007, adugnd nc
dou pri Metodologiei de calcul, i anume: partea IV Breviar de calcul al performanei
energetice a cldirilor i apartamentelor, indicativ MC001/4-2009, i partea V Model certificat
de peforman energetic al apartamentului, indicativ MC001/5-2009. Astfel, metodologia este
structurat la ora actual pe cinci pri.
Obiectivele propuse de statele membre UE vor contribui la crearea de condiii uniforme
pentru eforturile de economisire a energiei fcute n sectorul construciilor i vor oferi
eventualilor proprietari sau utilizatori transparen n ceea ce privete performana energetic pe
piaa de proprieti imobiliare a Comunitaii Europene. Astfel:
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
11/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
11
- Cldirile noi vor trebui s respecte cerinele de baz privind performana energetic
adaptate climatului local.
- innd seama de faptul c aplicarea sistemelor de alimentare cu energie alternativ nu este,
n general, explorat la maxim, va trebui s se analizeze fezabilitatea tehnic, economic i de
mediu a sistemelor de alimentare cu energie alternativ.
- n ultimii ani, numrul sistemelor de condiionare a aerului din rile din sudul Europei a
crescut. Acest lucru creeaz probleme importante in perioadele de vrf, crescnd costul
electricitii i destabiliznd echilibrul energetic din acele ri. Vor trebui dezvoltate n
continuare tehnicile de rcire pasiv pentru a mbuntii condiiile climatice din locuine.
- Controlul consumului de energie la nivelul rilor europene este un instrument important
care i d Comisiei Europene posibilitatea dea influena piaa mondial a energiei i sigurana
alimentrii cu energie pe termen lung i mediu.
Pentru a putea atinge obiectivele propuse, statele membre ale Uniunii Europene s-au
organizat n grupe de lucru cu sarcini precise. Se fac ntlniri periodice n care sunt discutate
rezultatele obinute, la care Romnia a participat cu regularitate ncepnd din decembrie 2005.
Ca urmare a acestor ntlniri, a fost elaborat Metodologia de calcul al performanei energetice a
cldirilorMC001.
I.2. Obiectivul lucrrii
Obiectivul principal al lucrrii l reprezint o analiz aprofundat a metodelor de evaluare
a consumului de energie n cldiri.
Lucrarea i propune pe de-o parte s analizeze bazele teoretice ale acestor metode, cu
scopul de a aproxima ct mai aproape de realitate necesarul de energie pentru rcirea cldirilor.
n cadrul acestei analize s-au utilizat metode de calcul legiferate ale consumului de energie, i
anume metoda lunar i metode orare. Prima metod este metoda de calcul lunar, metod
reglementar cuprins n Metodologia de calcul naional MC001, "Metodologia de calcul al
performantei energetice a cladirilor". Cea de-a doua metod este metoda de calcul orar
simplificat, simulat cu programul CoDyBa. Cea de-a treia metod este metoda de calcul orar
avansat, simulat cu programul Trnsys.
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
12/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
12
Pe de alt parte, teza de fa are ca scop s evidenieze, prin studii de caz, probleme mai
puin cunoscute i studiate care influeneaz consumul de energie, cum ar fi densitatea de
ocupare a spaiilor, debitele de aer proaspt i stragia de ventilare. Studiile de caz studiate au fost
astfel alese nct s se pun n eviden aceste influene.
Pentru a evidenia diferitele aspecte luate n calcul de fiecare dintre metodele de evaluare
a energiei necesare rcirii, s-au variat pe rnd anumii parametri reprezentativi de intrare, cum ar
fi temperatura de introducere a aerului proaspt i numrul de ocupani. S -a fcut o comparaie
ntre aceste situaii pentru a putea vedea n ce msur aceti parametri influeneaz consumul de
energie. Se pot astfel gsi soluii n cunotin de cauz pentru a reduce aproximrile inerente
unei metode cu pas mare de timp. O serie de lucrri au artat n ce msur crete incertitudinea
valorilor obinute prin metode cu pas de o lun sau de un sezon, dar din punct de vedere practic,
aceste metode sunt cele preferate de aplicani datorit simplitii i rapiditii de calcul.
Att calculul lunar ct i cel orar s-au fcut pentru climatizarea unei zone dintr-o cldiri
de birouri (cldire monozon), pentru perioada sezonului de rcire, n condiiile de asigurare a
temperaturii interioare de confort de 25C.
Metodele utilizate pentru calculul energiei necesare rcirii cldirii se aplic pentru cldiri
climatizate fr controlul umiditii interioare.
Necesarul de rcire se calculeaz pentru ntreaga perioada de rcire determinat, n cazul
metodei lunare nsumnd valorile obinute pentru fiecare lun. n cazul metodelor orare,
programul CoDyBa i programul Trnsys nsumeaz valorile obinute or de or, indicnd la final
consumul total de energie.
I.3. Descrierea cldirii i a elementelor de anvelop
n acest subcapitol sunt definii termenii care intr n calculele de la capitolele 2, 3 i 4, cu
relaiile lor de calcul i semnificaia lor, din punct de vedere teoretic, fr valori numerice.
Anvelopa unei cldiri este alctuit dintr-o serie de suprafee prin care are loc transfer
termic. Definirea geometriei cldirii cu elementele de construcie componente este esenial
naintea nceperii unui calcul de consum de energie, att prin metode clasice ct i cu programe
de simulare. Elemente componente ale anvelopei cldirii se pot clasifica dup cum urmeaz,
conform [68]:
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
13/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
13
- clasificare n raport cu poziia n cadrul sistemului cldire:
elemente exterioare n contact direct cu aerul exterior (ex: pereilor exteriori,
inclusiv suprafaa adiacent rosturilor deschise);
elemente interioare care delimiteaz spaiile nclzite de spaii adiacente
nenclzite sau mai puin nclzite (ex: pereii i planeele care separ volumul
cldirii de spaii adiacente nenclzite sau mult mai puin nclzite, precum i de
spaiul rosturilor nchise);
elemente n contact cu solul;
- clasificare n funcie de tipul elementelor de construcie:
opace (ex: partea opac a pereilor exteriori, inclusiv suprafaa adiacent
rosturilor);
elemente vitrate elemente al cror factor de transmisie luminoas este egal sau
mai mare de 0,05 (de exemplu: componentele transparente i translucide ale
pereilor exteriori i acoperiurilor - ferestre, tmplria exterioar, pereii vitrai
i luminatoarele);
- clasificare n funcie de poziia elementelor de construcie n cadrul anvelopei cldirii:
verticale elemente de construcie care fac un unghi cu planul orizontal mai
mare de 60 grade (ex: pereilor exteriori);
orizontale elemente de construcie care fac un unghi cu planul orizontal mai
mic de 60 grade (de exemplu planeele de peste ultimul nivel, de sub poduri,
planeele de peste pivnie i subsoluri nenclzite, planeele care delimiteaz
cldirea la partea inferioar, fa de mediul exterior - bowindouri, ganguri de
trecere .a).
Aria anvelopei cldirii - A - reprezentnd suma tuturor ariilor elementelor de construcie
perimetrale ale cldirii, prin care are loc transfer termic, se calculeaz cu relaia:
A = Aj [m2] (1.1)
n care :
Aj ariile elementelor de construcie care intr n alctuirea anvelopei cldirii;
Aria anvelopei se calculeaz doar pentru suprafeele interioare ale elementelor de
construcie perimetrale, ignornd existena elementelor de construcie interioare (pereii interiori
i planeele intermediare).
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
14/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
14
Rezisten termic unidirecional (R) se calculeaz pentru fiecare element de construcie
(perete exterior, teras etc), nsumnd rezistenele termice aferente fiecrui strat din care este
compus elemetul respectiv.
sej
jsisejsi R)d(RRRRR
(1.2)
Rsi, Rse-rezisten la transfer termic superficial (interior /exterior) [m2.K/W]
Rj rezistena fiecrui strat din care este compus elemetul respectiv [m2.K/W]
d - grosimea fiecrui stratului din elementul de construcie considerat [m]
-conductivitatea termic a materialului din care e alctuit stratul respectiv [W/(mK)]
Rezistenele la transfer termic superficial (Rsi iRse) se consider n calcule n funcie de
direcia i sensul fluxului termic;Rsi =1/hi iRse =1/he :
Direcia i sensul fluxului termic
Elemente de construcie ncontact cu: exteriorul pasaje deschise (ganguri)
Elemente de construcie ncontact cu spaii ventilatenenclzite: subsoluri i pivnie poduri balcoane i logii nchise rosturi nchise alte ncperi nenclzite
hi/Rsi he/Rse hi/Rsi he/Rse
0,1258 *)
0,04224 0,1258 0,08412
0,125
8 *)
0,042
24 0,1258
0,084
12
0,167
6 *)
0,042
24 0,167
6 0,084
12
*) Pentru condiii de var : he = 12 W/(m2K),Rse= 0,084 m
2K/W
Tabelul 1.1: Coeficieni de transfer termic superficial hi i he [W/(m2K)] i
rezistene termice superficiale Rsi i Rse [m2K/W]
i e u
i
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
15/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
15
Inversul rezistenei termicereprezint transmitana termic U (coeficientul unidirecional
de transmisie termic prin suprafa) i se determin cu relaia :
R
1U [W/(m2K)] (1.3)
Din punct de vedere termic, acesta reprezint fluxul termic n regim staionar, raportat la
suprafaa i la diferena de temperatur dintre temperaturile mediilor situate de o parte i de alta a
unui sistem.
n calculul consumului de energie se folosete o rezisten termic corectat (R), care pe
lng rezistena unidirecional definit mai sus, ia n calcul i influena punilor termice.
Puntea termicreprezint poriune din anvelopa unei cldiri, n care valoarea fluxului
termic este sensibil modificat ca urmare a faptului c izoterme le nu sunt paralele cu
suprafeele elementelor de construcie. Modificarea fluxului termic se datoreaz :
- alturarea de materiale cu o conductivitate termic diferitn anvelopa cldirii i/sau
- schimbarea n grosimea structurii i/sau
- diferena ntre suprafeele interioare i exterioare, cum exist la interseciile ntre perete/
pardoseala/ tavan.
Lungimile punilor termice liniare (l) se msoar n funcie de lungimile lor reale, existente
n cadrul ariilor A; n consecin ele sunt delimitate la extremiti de conturul suprafeelor
respective.
Punile termice sunt definite prin doi parametrii: (transmitan termic liniar) i
(transmitan termic punctual). Acetia sunt termeni de corecie care introduc influena
liniar, respectiv punctual a unei puni termice n calculul coeficientului de cuplaj termic L,
necesar pentru calculul transferului de cldur prin transmisie.
Punile termice liniare care trebuie n mod obligatoriu s fie luate n considerare la
determinarea parametrilor l i sunt, n principal, urmtoarele:
intersecia dintre pereii exteriori i planeul de teras (n zona aticului sau a corniei); intersecia dintre pereii exteriori i planeul de pod (n zona streinii);
intersecia dintre pereii exteriori i planeul peste subsolul nenclzit (n zona soclului);
intersecia dintre pereii exteriori i placa pe sol (n zona soclului);
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
16/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
16
colurile verticale (ieinde i intrnde) formate la intersecia dintre doi perei exteriori
ortogonali;
punile termice verticale de la intersecia pereilor exteriori cu pereii interiori structurali (de
ex. stlpiori din beton armat monolit protejai sau neprotejai, pereii din beton armat
adiaceni logiilor, .a);
intersecia pereilor exteriori cu planeele intermediare (n zona centurilor i a consolelor din
beton armat monolit, .a.);
plcile continue din beton armat care traverseaz pereii exteriori la balcoane i logii;
conturul tmplriei exterioare (la buiandrugi, solbancuri i glafuri verticale).
Transmitana termic corectat/coeficientul corectat de transmisie termic prin suprafa
U' se calculeaz cu relaia general :
AA
l
R
1
R
1U
''
[W/(m2K)] (1.4)
n care :
R rezistena termic total, unidirecional, aferent ariei A;
l lungimea punilor liniare de acelai fel, din cadrul suprafeeiA.
I.4. Condiiile de confort i calitatea aerului
Dei se urmrete calculul necesarului de energie, condiiile de confort trebuie pstrate,
acestea fiind detaliate n continuare.
Confortul termic este senzaia de bun stare fizic rezultat din faptul c schimbul de
cldur dintre corpul uman i mediul nconjurtor se realizeaz fr suprasolicitarea sistemului
termoregulator.
Pentru a se asigura confortului termic al ocupanilor din ncperi, aerul interior trebuie s
aib anumite caracteristici, n special temperatur, umiditate, prescrise n funcie de destinaia
ncperii. n acelai timp trebuie asigurat calitatea aerului interior, aceasta caracteriznd
coninutul de poluani din ncpere. Poluanii nu trebuie s depeste concentraiile sau dozele
admise (asimilate de persoane n perioada de ocupare), asigurnd astfel igiena i sntatea
persoanelor. Normele romneti [89] clasific categoriile de cldiri n clasele din tabelul 1.2.
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
17/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
17
Categorie Descriere
IDA 1 Calitate ridicat a aerului interior
IDA 2 Calitate medie a aerului interior
IDA 3 Calitate moderat a aerului interior
IDA 4 Calitate sczut a aerului interior
Tabelul 1.2: Clasificare de baz a calitii aerului interior (IDA)
Pentru a menine calitatea aerului interior ntr-una dintre aceste patru categorii, este
necesar introducerea de aer proaspt prin ventilare pentru a dilua concentraia de poluani din
zona considerat. Standardul [89] prevede concentraiile maxime de dioxid de carbon pentru
fiecare din cele patru clase de calitate a aerului.Climatizarea are drept scop realizarea unei ambiane interioare care s rspund
condiiilorde confort termic.
Pentru caracterizarea ambianei interioare se stabilesc patru categorii I IV [90]:
Categoria
ambianeiCaracteristici i domeniu de aplicare recomandat
INivel ridicat recomandat pentru spaiile ocupate de persoane foarte sensibile ifragile, care au exigene specifice, ca de exemplu bolnavi, persoane cu handicap,copii mici, persoane n vrst
II Nivel normal recomandat cldirilor noi sau renovate
III Nivel moderat acceptabil, recomandat n cldiri existente
IVNivel n afara celor de mai sus; recomandat a fi acceptat pentru perioade limitatede timp
Tabelul 1.3: Categorii de ambian interioar
Din punct de vedere al calitii aerului interior, clasele I IV corespund claselor IDA1
IDA4 definite mai sus.
Confortul termic este determinat de urmtorii parametri:
- temperatura aerului interior,
- temperatura medie de radiaie a suprafeelor cu care corpul uman schimb cldur prin radiaie,
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
18/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
18
- umiditatea relativ a aerului,
- viteza aerului interior,
- izolarea termic a mbrcminii,
- activitatea ocupanilor care determin cldura degajat (metabolismul).
Temperatura interioareste parametrul esenial de care depinde confortul termic. Plajele
de valori acceptabile pentru temperatura interioar de calcul sunt date n tabelul de mai jos,
conform [89], n funcie de tipul de cldire i de ceilali parametrii care influeneaz confortul
termic- mbracamintea i activitatea ocupanilor:
Temperatura de calcul a aerului [oC]Tipul de cldire sau ncpere CategoriaTemperatura pentru
nclzire;mbrcminte 1,0
clo
Temperaturapentru rcire*;mbrcminte 0,5
cloI 21,0 25,0 23,5 25,5II 20,0 -25,0 23,0 26,0
Cldiri de locuit (camere de zi,dormitoare)activitate sedentar 1,2 met III 18,0 25,0 22,0 27,0
I 18,0 25,0II 16,0 25,0
Cldiri de locuit (alte ncperi)stnd n picioare, mers 1,5 met
III 14,0 25,0I 21,0 23,0 23,5 25,5II 20,0 24,0 23,0 26,0
Birouri individuale sau tip peisaj,sli de reuniune, cofetrii,cafenele, restaurante, sli declas
activitate sedentar 1,2 met
III 19,0 25,0 22,0 27,0
I 19,0 21,0 22,5 24,5II 17,5 22,5 21,5 25,5
Cree, grdiniestnd n picioare, mers 1,4 met
III 16,5 23,5 21,0 26,0I 17,5 20,5 22,0 24,0II 16,0 22,0 21,0 25,0
Magazine maristnd n picioare, mers 1,6 met
III 15,0 23,0 20,0 26,0* Pentru rcire, temperatura aerului se va alege din plaja de valori din tabel, astfel nct diferena
dintre temperatura exterioar i cea interioar de calcul s nu depeasc 10 oC ; n cazul n care
valorile maxime indicate n tabel sunt mai mici, se aleg valorile din tabel.
Tabelul 1.4: Temperatura interioar de calcul pentru climatizare de confort
Pentru a asigura temperatura dorit, spaiul respectiv trebuie climatizat. Climatizarea este
procesul prin care n interiorul ncperilor se asigur o temperatur controlat a aerului,
indiferent de procesele termice din interiorul sau din exteriorul cldirii. Climatizarea presupune
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
19/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
19
nclzirea i rcirea controlat a spaiilor. Prin climatizare se urmrete realizarea confortului
termical ocupanilor din ncperi.
Confortul termic depinde i de umiditatea aerului interior, care poate fi controlat prin
climatizare, dar nu este neaprat necesar. Conform [89], controlul umiditii se realizeaz numai
n cldiri n care tipul activitii necesit acest fapt (exemplu: muzee, laboratoare speciale,
anumite sli din spitale, hale cu diferite procese tehnologice), sau la cererea scris a
beneficiarului, deoarece necesit un consum de energie suplimentar. Pentru cldirile care nu
necesit controlul umiditii, instalaia de climatizare se dimensioneaz pentru o umiditate de
50% [89].
Utiliznd domeniul tipic de temperatur a aerului pentru o zon nclzit sauventilat/
climatizat, adic de la 20 la 27 C, evaporarea apei de la suprafata a pielii este nesemnificativ
cantitativ, jucnd un rol minor n determinarea echilibrului dintre om i mediul termic. Din acest
motiv, umiditatea relativ poate varia ntre 30 i 70% pstrnd o stare acceptabil de confort
termic n condiiile de temperatur descrise.
Limita inferioar (30%) trebuie respectat pentru a preveni uscarea ochilor, dar, de
asemenea, pentru a mpiedica circulaia de prafi de ali poluani n aerul de interior. n acest
scop, n cldiri ventilate echipate cu un sistem centralizat de distribuie i de tratare a aerului
(CTA) este prevzut un compartiment pentru umidificarea aerului de afar nainte de a fi
introdus n camer.
Limita superioar de umiditate (70% sau mai puin, n funcie de temperatura din interior)
trebuie s fie respectate pentru a evita trei probleme posibile:
- apariia condensului pe faada interioar a elementelor de construcie exterioare slab izolate
(ferestre, perei)n timpul iernii;
- senzaie de sufocare, care poate aprea la o umiditate relativ prea mare n rapor cu
temperatura din interior (n funcie de diagrama Molier care definete relaia ntre
temperatur i umiditate) ;
- dezvoltarea ciupercilor n aerul de interior i degradarea materialelor de construcie.
Viteza aerului ntr-o ncpere influeneaz confortul termic prin pierderile de cldur prin
convecie ntre o persoan i mediul ambient, putnd provoca un inconfort termic local datorat
curentului de aer. Viteza medie a aerului este recomandat n tabelul de mai jos ([37], [90]),
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
20/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
20
pentru a asigura limitele confortului termic. Aceasta este dat n funcie de un indice de curent
DR(draught rate indicele persoanelor deranjate de senzaia de curent) cuprins ntre 10 i 20%i o intensitate a turbulenei de 40% (pentru un sistem de ventilare tip amestec).
Temperatura local a
aerului Ta (o
C)
Domeniu tipic Valoare prin lips
(DR=15%)Ta = 20 de la 0,1 la 0,16 v 0,13Ta = 21 de la 0,1 la 0,17 v 0,14Ta = 22 de la 0,11 la 0,18 v 0,15Ta = 24 de la 0,13 la 0,21 v 0,17Ta = 26 de la 0,15 la 0,25 v 0,20
Tabelul 1.5: Valori recomandate pentru viteza aerului din ncperi
Dac factorii care influeneaz confortul termic prezentai anterior sunt legai de
ambian, urmtorii doi factori sunt legai de ocupani: activitatea acestora (metabolismul) i
mbrcmintea.
Metabolismul se refer la productia de cldur n interiorul corpului uman care i permite
acestuia s-i pstreze temperatur intern n jurul valorii de 36,7 oC. Dac o persoan este n
miscare, un metabolism de lucru corespunznd activitaii sale particulare se adaug la
metabolismul de baz al corpului n repaus.
Unitatea de masur pentru metabolism este met 1 met = 58,2 W/m
mbracamintea reprezint o rezistent termic pentru schimburile de caldur ntresuprafaa pielii i mediu, pstrnd cldura la interior.
Unitatea de masur pentru mbracaminte este clo 1 clo = 0,155 mC/W.
ParametruDomeniul uzual de
ncadrareValori pentru proiectare
mbrcminteVara: 0,5 - 0,7 cloIarna : 0,8 - 1,0 clo
Vara: 0,5 cloIarna: 1,0 clo
Activitate De la 1,0 pn la 1,4 met 1,2 met
Tabelul 1.6: Ipoteze de proiectare pentru mbrcmintei activitate pentru o cldire de birouri(conform [37])
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
21/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
21
I.5. Necesarul de energie la nivelul cldirii
n vederea evalurii consumului de cldur este necesar o analiz la nivelul cldirii,
pentru a vedea parametrii de care depinde necesarul de rcire, prezentat pe scurt n continuare.
Schimbul de cldur ntre cldire i mediul nconjurtor se poate realiza transfer prin
transmisie (QT) sau prin ventilare (Qv).
Cldura total ptruns n ncpere (aporturi) provine de la sursele de cldur exterioare
(solare) i interioare (degajri de cldur de la oameni, iluminat i aparatur electronic).
Bilanul de cldur la nivelul cldirii este figurat n diagrama de mai jos:
Fig.1.1.:Diagrama energetic pentru cldire, cazul n care exist pierderi de cldur ale
ncperii prin transfer de cldur prin anvelop i prin ventilare
Notaii:
Qsurse cldura total ptruns n ncpere, provenit de la sursele de cldur, exterioare i
interioare, n situaia rcirii ncperilor;
QS cldura provenit de la soare,
Qint cldura degajat de sursele interioare;
QT cldura total schimbat de cldire cu exteriorul prin transmisie
QV cldura total schimbat de cldire cu exteriorul prin ventilare
Q energia necesar pentru rcirea cldirii;
Qs Qint
QQT Qv
CLADIRE
Qsurse
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
22/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
22
n cazul n care aerul este introdus n ncpere cu temperatura interioar de calcul, cldura
pierdut prin ventilare este nul, iar aerul introdus este tratat separat intr-o central de tratare a
aerului (CTA). n acest caz, diagrama energetic este:
Fig.1.2.:Diagrama energetic pentru cldire, cazul n care exist numaipierderi de cldur
prin transfer de cldur prin anvelop
I.5.1. Transferul de cldur
Prin transmisie
a) Transmisia cldurii prin elemente de construcie opace
Analiza termic pentru un perete opac const n a determina fluxul de cldur care
ptrunde la interior la un moment dat, cunoscnd att parametrii climatici exteriori (temperatura
exterioar, gradul de nsorire, deci intensitatea radiaiei solare), ct i parametrii care definesc
peretele din punct de vedere geometric i termofizic.
n figura 1.3. sunt schematizate diferitele tipuri de transfer de cldur care intervin n
bilanul termic:
Qs Qint
QQT
CLADIRE
Qsurse
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
23/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
23
Fig.1.3.: Reprezentarea diferitelor moduri de transfer de cldur pentru un
perete opac omogen
Conform condiiilor la limit (condiia lui Fourier) densitatea de flux variaz liniar cu
diferena de temperatur ntre suprafaa corpului i mediul fluid care inconjoar suprafaa.
Bilanul energetic: cldura care trece prin conducie este egal cu suma cldurii care trece prin
convecie i cea care trece prin radiaie rcvcd QQQ . [44] (1.5)
Scris sub forma densitilor de flux: rcvcd += (1.6)
Densitatea de flux conductiv se scrie cu legea lui Fourier pentru
conducie:S
cd dx
dT-
(1.7)
Densitatea de flux convectiv se scrie cu legea lui Newton pentru convecie:
fscvcv T-Th= , (1.8)
unde hcv coeficient de schimb superficial prin convecie
Ts temperatura solidului considerat (T1 sau T2)
Tf temperatura fluidului care nconjoar solidul (n cazul de fa
aerul exterior Te/ interior Ti)Densitatea de flux radiativ: 4p4sr T-Ta (1.9)
unde a factor ce depinde de proprietile de radiaie ale suprafeelor considerate (emisivitate i
absorbtivitate) i de geometria suprafeelor (factor de form)
Flux
absorbitt
Ti
Fluxconvectivhe(Te-T1)
Fluxreflectat(1-)t
Fluxprimit t
Fluxconvectivhi(T2-Ti)
T1 T2
Te
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
24/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
24
Ts temperatura suprafeei (solidului) considerate
Tp temperatura suprafeei (peretelui) nvecinate
Prin linearizarea relaiei, Ts i Tp fiind nvecinate, se ajunge la aproximarea:
psrpsp T-Th=T-TaT= r34 (1.10)
n cazul
Astfel legea de transfer termic ntre corp i mediul su nconjurtor devine:
msmsrcvprfscvS
TThTThhTThTThdn
dT
s
(1.11)
unde h coeficient de schimb superficial global (convecie+radiaie)
Tm temperatura medie ntre Tfi Tp,rcv
prfcvm
hh
ThThT
(1.12)
Suprafaa peretelui expus la exterior este supus radiaiei solare, figurat prin fluxul t.
O parte din acest flux este absorbit de perete (t), iar restul este reflectat cu un raport (1-)t.
Suprafaa exterioar a peretelui schimb cldur prin convecie cu mediul exterior : he(Te -T1).
Coeficientul he se numete coeficient de transfer termic superficial la exterior i ine cont i de
convecia i de radiaia peretelui pe lungime mare de und.
Suprafaa interioar a peretelui schimb cu aerul interior un flux prin convecie:
hi(T2-Ti). Coeficientul hi se numete coeficient de transfer termic superficial la interior i ine
cont i de convecia i de radiaia peretelui.Echilibru termic al peretelui :
- pentru peretele exterior:0x
1eet dx
dT)TT(h
(1.13)
- pentru peretele interior:1x
i2i dx
dT-)T-T(h
(1.14)
b) Transmisia cldurii prin elemente de construcie vitrate
Bilanul termic al fluxurilor de cldur la nivelul elementelor vitrate (n generalferestrele) este schematizat n figura de mai jos:
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
25/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
25
Fig.1.4.: Reprezentarea diferitelor moduri de transfer de cldur petru un
perete vitrat (fereastr)
Prin ventilare
Pentru a asigura calitatea aerului interior, aerul dintr-o ncpere trebuie mprosptat, prin
introducerea de aer proaspt prin ventilare. Aportul de aer prospt se poate face fie direct prin
fiecare ncpere, fie la nivelul unui grup de climatizare.
Calculul debitului de aer ine cont de destinaia ncperii, de gradul de poluare precizat
prin categoria de ambian, de numrul de persoane i de suprafaancperii [89]Bppersv q*Aq*NV (1.15)
unde: Npers numrul de persoane;
qp debitul de aer proaspt pentru o persoan, [l/s/pers sau m3/h/pers];
A aria suprafeei pardoselii [m2];
qB debitul de aer proaspt, pentru 1 m2 de suprafa, [l/s/m2 sau m3/h/m2].
Categoria deambian
Procentul ateptat denemulumii [%]
Debit pentru opersoan [l/s/pers]
Debit pentru opersoan [m3/h/pers]
I 15 10 36II 20 7 25III 30 4 15IV >30
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
26/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
26
Debit pe m2 de suprafa [l/(s.m2)] Debit pe m2 de suprafa [m3/(h.m2)]Categoriadeambian cldiri
foartepuinpoluante
cldiripuinpoluante
Altele cldirifoartepuinpoluante
cldiripuinpoluante
Altele
I 0,5 1 2,0 1,8 3,6 7,2II 0,35 0,7 1,4 1,26 2,52 5,0III 0,3 0,4 0,8 1,1 1,44 2,9IV mai mari dect valorile pentru categoria III
Tabelul 1.8. Debitul de aer proaspt pentru 1 m2 de suprafa, ([89])
n zonele de fumtori, debitele de aer proaspt se dubleaz fa de valorile din tabel.
Aceste debite asigur condiii de confort pentru ocupani, nu i condiii de sntate.
Aerul exterior poate ptrunde n ncpere necontrolat, prin infiltraii, adugndu-se la
pierderile de cldur prin transmisie. Aceste infiltraii se realizeaz n special prin ferestre i prin
ui. Ele depind de clasa de expunere a unei cldiri, de permeabilitatea i de suprafaa ferestrei
sau uii.
Pentru a diminua infiltraiile n raport cu aerul proaspt, camera pentru care se urmrete
acest lucru poate fi pusa n suprapresiune.Acest sistem se poate utiliza dac uile i ferestrele
corespunztoare camerei nu sunt deschise prea des. Suprapresiunea se realizeaz doar dac
debitul de aer ptruns prin infiltraii este mai mic dect aportul absolut de aer proaspt ptrunsprin ventilare mecanic (debitul absolut nseamn aerul introdus minus aerul extras).
I.5.2. Aporturile interioare de cldur
Aporturi solare
Aporturile de cldur solare depind de radiaia solar la nivelul oraului unde se afl
cldirea, de orientarea suprafeelor receptoare, de coeficienii de transmisie ai acestora, de
absorbia i reflexia radiaiei solare i caracteristica de transfer.
Radiaia solar este radiaia electromagnetic emis de Soare avnd lungimi de und din
ntregul spectru al undelor electromagnetice. Trecnd prin atmosfera Pmntului, o parte a
radiaiei solare este absorbit, nclzind aerul, o alt parte este mprtiat de moleculele aerului,
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
27/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
27
vaporii de ap, pulberile din atmosfer (constituind radiaia solar difuz- d), dar cea mai mare
parte ajunge pe suprafaa Pamntului (constituind radiaia solar direct-D). [44]
Fig. 1.5.Radiaia solar (direct i difuz) ajuns pe suprafaa pmntului [44]
Din punct de vedere al cantitii i tipului de energie transmise, radiaia solar care
ajunge pe Pmnt este compus din: 3% ultraviolete, 42% radiaie vizibil (lumina) si 55%
infraroii. [103]
Fiecareia din aceste trei pri ale radiatiei i corespunde cte un spectru definit prin
urmatoarele intervale de lungimi de und:
- radiaia ultraviolet de la 0,28 la 0,38 microni,
- radiaia vizibil de la 0,38 la 0,78 microni,
- radiaia infraroie de la 0,78 la 2,5 microni
Fig. 1.6.Intensitatea spectral a radiaiei solare globale, funcie de lungimea de und [100]
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
28/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
28
Radiaia direct
Radiaia direct captat de un perete depinde de poziia soarelui i de orientarea
peretelui. Poziia soarelui este definit prin dou unghiuri:
- nlimea H, care este unghiul fcut de o raz de soare cu planul tangent la suprafaa
solului
- azimutul A, care este unghiul format de proiecia razei de soare pe planul tangent la
suprafaa solului cu direcia Sud
Fig. 1.7.nlimea (H) i azimutul (A) soarelui [44]
Radiaia difuz
Pentru a putea determina fluxul difuz, este necesar utilizarea datelor meteorologice,
deoarece acest tip de radiaie nu se poate determina prin calcul. Dac cerul este senin, radiaia
difuz reprezint 10 20% din radiaia global. n schimb, dac cerul este acoperit, radiaia
difuz reprezint toat radiaia global. [44]
Fluxul total receptat de un perete este egal cu suma fluxurilor directe i difuze.
Bilanul energetic al radiaiei termice
Fiecare corp este capabil s emit energie de radiaie, i s o reflecte, s o absoarb sau
s o transmit (fig.1.8) conform bilanului energetic :
TARi QQQQ (1.6)
unde Qi - energia de radiaie inciden pe suprafaa corpului
QR energia reflectat
QA energia absorbit
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
29/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
29
QT energia transmis
Fig.1.8. Bilanul energiei de radiaie ([20])
Definim trei coeficieni :
i
R
Q
Q coeficientul de reflexie
i
A
Q
Q coeficientul de absorbie
i
T
Q
Q coeficientul de transmisie
Astfel, relaia bilanului energetic devine : 1
Pentru majoritatea corpurilor solide =0 i 1 . Acestea sunt corpuri gri, reale,
opace, care nu permit radiaiei incidente s treac.
Dac = =0 i =1 corpul este denumit transparent, lsnd s treac toat radiaia
incident.
Gazele au =0, deci + =1.
Corpurile care au = =0 i =1 se numesc corpuri negre i absorb integral radiaiile
incidente.
La polul opus se afl corpurile pentru care = =0 i =1. Acestea se numesc corpuri
albe, care formeaz o oglind, suprafaa sa reflectnd toate radiaiile incidente.
Ariile de captare efectiv a radiatei solare
Pentru a ine cont de aria i caracteristicile suprafeei de captare a radiaiei solare, ca efect
al umbrei, se introduce o mrime numit aria de captare efectiv. Ariile de captare a radiaiei
solare se determin pentru toate tipurile de elemente perimetrale ale unei cldiri, care capteaz
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
30/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
30
radiaia solar (suprafee vitrate exterioare, elemente opace exterioare, perei i planee interioare
din spaii tip ser, precum i perei aflai n spatele unor elemente de acoperire sau izolaii
transparente).
Caracteristicile de captare ale acestor suprafee depind de climatul local i de factori
dependeni de perioada de calcul, cum ar fi poziia soarelui sau raportul dintre radiaia direct i
difuz. n consecin, trebuie alese valori medii adecvate scopului urmrit (nclzire, rcire sau
verificarea confortului termic de var).
Factor de reducere a aporturilor solare datorit umbririi prin elemente exterioare
Acest factor reprezint reducerea fluxului de cldur solar ptruns n ncperea
climatizat datorit prezenei unor elemente de umbrire permanente cum ar fi:
- cldiri nvecinate;
- forme de relief nvecinate (dealuri, copaci etc);
- elemente de construcie exterioare ale cldirii (cornie, aticuri, balcoane etc.);
- retragerea ferestrei fa de planul exterior al peretelui
Radiaia solar direct este singura component redus de obstacolele ce produc umbra;
radiaia difuz i cea reflectat de sol rmn neschimbate. Aceasta este echivalent cu un obstacol
care, prin reflexie, produce aceeai radiaie ca cea obstrucionat. [69]
Aporturi interne
Sursele de cldur interioare, inclusiv cele cu contribuii negative la bilanul termic,
constau din orice tip de cldur degajat la interiorul spaiului condiionat, (altele dect cldura
introdus controlat pentru nclzirea i rcirea acestui spaiu sau cea utilizat pentru prepararea
apei calde de consum).
Aceste surse includ cldura metabolic emis de ocupani, cldura emis de aparatele
electrice, de corpurile de iluminat, de maini, utilaje i de ctre alte surse, n funcie de destinaia
spaiului respectiv (procese tehnologice, prepararea hranei).
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
31/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
31
I.6. Consumul de energie n cldiri
Principalii factori care influeneaz consumul de energie sunt:
a) Timpul de ocupare a cldirii - variaz de la o cldire la alta, n funcie de destinaia
acesteia. Numrul de ore de activitate zilnic influeneaz destul de mult consumul de
energie. Timpul de ocupare se refer att la programul de funcionare al personalului aflat
n cldire, ct i al echipamentelor de birotic, iluminat, aparate de ncalzire i ventilare.
Ct timp personalul este n activitate, n cldire trebuie asigurate condiiile de confort, dar
odat cu prsirea cldirii se impune reducerea consumului de energie prin oprirea parial
a unor instalaii (iluminat, ncalzire, ventilare).
b) Gradul de ocupare a cldirii - reprezint un factor important in bilanul energetic,
deoarece cu ct ocuparea pe m2 este mai redus, cu att consumul de energie este mai mic
i invers. Statisticile au artat ca, la fiecare variaie cu 10% n gradul de ocupare a
spaiului, rezult o variaie cu 3% a consumului unitar anual de energie pentru cldirile
neclimatizate si cu 4% pentru cldirile climatizate.[40]
c) Destinaia cldirii - influeneaz consumul de energie, avnd n vedere c mrirea
consumurilor unitare depinde de gradul de utilare (echipare) a cldirii, precum i de
numrul de ore de utilizare a echipamentelor; factorul de corecie poate fi luat intre 4-5%
pentru fiecare variaie cu 10% a suprafeei ocupate.
d) Condiiile meteorologice sunt reprezentate prin temperatura exterioar, umiditate,
intensitatea radiaiei solare. Consumul de energie pentru nclzire, ventilare, climatizare,
depinde de condiiile climatice din zona n care se afl cldirea, precum i de temperatura
interioar de calcul a cldirii respective.
Analizarea consumurilor de energie se poate face prin metode directe sau inverse. n
abordarea direct (fig. 1.9) previziunile de consumuri energetice sunt bazate pe o descriere fizic
a sistemelor cldirii, incluznd geometria, amplasarea, detaliile constructive i tipul de instalaii
de ncalzire, ventilare i climatizare utilizate. Cele mai multe metode fac parte din categoria
modelelor directe.
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
32/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
32
Fig. 1.9: Reprezentarea unui model direct de analiz energetic
n abordarea invers (fig. 1.10), modelele de analiza energetic incearc s determine
parametrii reprezentativi ai cldirii (coeficientul global de transfer de cldura, sarcina termic nregim nominal sau constanta de timp a cldirii) folosind consumurile energetice, date legate de
climat sau alte date de performan relevante. n general, modelele inverse sunt mai simple i
deci mai flexibile dect modelele directe. Totui, flexibilitatea modelelor inverse este de obicei
limitat de formularea parametrilor reprezentativi ai cldirii i de acurateea datelor de
performan ale acesteia. Pentru a identifica parametrii cldirii, cele mai multe dintre metodele
inverse existente au la baza metode de analiza de regresie (metoda grade-zile cu temperatura de
referin/baz variabil) sau abordri bazate pe conexiuni.
Fig. 1.10: Reprezentarea unui model invers de analiz energetic
Metodele de analiz energetic pot fi clasificate i dup capacitatea lor de a surprinde
comportarea dinamic a sistemelor energetice. n acest mod, ele pot folosi abordri staionare sau
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
33/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
33
dinamice. n general, modelele staionare sunt suficiente pentru a analiza performanele
sezoniere sau anuale ale cldirilor. n schimb, modelele dinamice sunt necesare pentru estimarea
efectelor tranzitorii ale sistemelor de energie, precum cele ntlnite la sistemele de stocare a
energiei termice i la dispozitivele de control optim al pornirilor.
Modelele directe sunt n general bazate pe descrierea fizic a sistemului energetic al
cldirii. Aceste modele permit determinarea consumurilor finale de energie, precum i estimarea
oricrei economii de energie survenit n urma aplicrii masurilor de conservare a energiei. n
continuare se descriu cteva din metodele de analiz energetic direct existente.
Metodele directe staionare suntn general uor de folosit, iar majoritatea calculelor pot fi
executate manual sau cu foi electronice de calcul.
Metodele dinamice folosesc modele analitice i numerice pentru a calcula transferul de
energie dintre diferitele sisteme ale cldirii. n general, aceste modele constau din produse
informatice (cu pai de timp orari sau mai mici) ce estimeaz corespunztor efectul ineriei
termice datorat stocrii energiei n pereii cldirii i/sau n sistemul de ncalzire. Proprietatea
important a acestor modele de simulare este capacitatea lor de a ine seama de mai muli
parametrii n estimarea corect a consumului de energie, n special la cldiri cu inerie termic
pronunat, cu reduceri nocturne ale sarcinii. O organigram tipic de programe de simulare este
prezentat in fig. 1.11.
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
34/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
34
Fig. 1.11. Schema unui model de cldire
Programele informatice necesit un grad de experien ridicat i sunt de regul potrivite
pentru cldiri mari cu sisteme de nclzire i ventilare complexe i cu strategii de automatizare
dificil de modelat cu ajutorul instrumentelor simplificate.
n general, un program de simulare necesit o descriere fizic detaliat a cldirii
(geometrie, detalii constructive ale anvelopei, tipul instalaiilor dencalzire i ventilare, orarul de
funcionare). Calculul sarcinii termice este bazat pe o palet larg de algoritmi n funcie de
complexitatea i flexibilitatea programului de simulare, de viteza de calcul i bineneles de
obiectivele studiului.
I.7. Datele climatice
Din punct de vedere termic, o cldire este supus pe de-o parte la exterior de factori
meteorologici, pe de alt parte, la interior de degajri de cldur i umiditate. Ca urmare a
interaciunii dintre cldire i mediul exterior, calculul necesarului de energie pentru nclzire i
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
35/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
35
rcire, fiind un calcul predictiv, necesit cunoaterea datelor climatice ale locului n care este
amplasat cldirea, obinute prin prelucrarea statistic a datelor meteorologice.
Pentru utilizare n aplicaiile de consumuri energetice anuale pentru nclzirea i rcirea
cldirilor, este necesar a avea un an climatic standard . Anul meteorologic standard (tip) a fost
construit pentru toate capitalele de jude din Romnia, astfel nct valorile medii, distribuia
frecvenelor i corelaiile dintre diversele caracteristici meteorologice s se pstreze ct mai bine.
Datele meteorologice nregistrate timp de 10 ani (1996-2006) au fost prelucrate de ctre Agenia
Naional de Meteorologie i Universitatea Tehnic de Construcii Bucureti.
Metoda folosit pentru construcia anului tip este standardizat n [56], mai exact n
normele [57]. Aceast metodologie presupune derularea a dou etape de construcie a anului de
referin:
a) alegerea celei mai bune luni;
b) ajustarea valorilor orare din lunile consecutive astfel nct trecerea de la o lun la alta
s conserve corelaia dintre variabile considerate.
Anul standard este compus din luni tipice, alese din datele meteorologice nregistrate
(completate prin interpolare cnd a fost necesar). Alegerea unei luni tipice privitoare la un
parametru climatic p (temperatur, umiditate relativ i radiaie solar) s-a realizat astfel:
1) S-au calculat mediile zilnice pentru parametrul p, pe baza datelor orare, msurate n
fiecare lun L i pentru fiecare an A din cei 10 ani,
2) S-a construit funcia cumulativ empiric de probabilitate FLAp a mediilor zilnice ale
parametrului climatic p considerat, calculate pentru luna L", pentru fiecare an n parte:
AanulLdinlunainppentrumasuratemediivaloridetotal.nr1
AanulLdinlunainppentrumasurate,tmediivaloride.nrtFLAp
3) s-a construit funcia cumulativ de probabilitate FLpa mediilor zilnice ale
parametrului climatic pe baza mediilor zilnice ale lunii respective din toi anii utilizai n calcul.
iconsiderataniitotiLdinlunainppentrumasuratemediivaloridetotal.nr1
iconsiderataniitotiLdinlunainppentrumasurate,tmediivaloride.nrtFLp
4) Pentru fiecare luna L considerat, s-a determinat statistica Finkelstein-Schafer
LpLAp F,FFS , ca distan dintre FLApi FLp
definit prin (1.16):
n
|tF)t(F|F,FFS i
iLpiLAp
LpLAp
(1.16)
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
36/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
36
unde: n - numrul de termeni din suma de la numrtor; it - puncte, cte unul pe fiecare interval,
pe care funcia |tF)t(F| LpLAp este constant, |tF)t(F| LpLAp fiind o funcie constant pe
poriuni.
5) Pentru fiecare parametru climatic pentru luna calendaristic L se aranjeaz anii A n
ordine cresctoare a valorii LpLAp F,FFS . n principiu se alege ca lun tipic luna din acel an A
pentru care distana Finkelstein-Schafer este minim. Acest lucru exprim faptul c din punct de
vedere al statisticii parametrului climatic considerat, informaiile furnizate de datele din luna
aleas din anul A se apropie cel mai mult de informaiile date de msurtorile din toi an ii de
observaie pentru luna respectiv.
n cazul n care se construiete un an tipic din punctul de vedere al mai multor parametri
climatici, trebuie inut seama de fiecare parametru p. n metoda folosit n [57], pentru fiecare
parametru climatic p pentru luna calendaristic L se aranjeaz anii A n ordine cresctoare avalorii LpLAp F,FFS .
Se definete susmaidecrescatorsirulinAanuluirangulrLAp i se calculeaz distana
p
LApLA rD (1.17)
Dac se utilizeaz metoda prevzutn [65], distana DLA se definete:
(1.18)
Unde wp reprezint valorile asociate fiecrui parametru, funcie de importana acordat
acelui parametru (ponderea).
n principiu, luna de referin pentru luna calendaristic L se ia luna din anul pentru care
LAD este minim. ns standardul mai prevede ca s se in seama n secundar de o alt
caracteristic meteorologic, viteza vntului, n felul urmtor:
a) Pentru fiecare lun calendaristic L se iau lunile din primii trei ani din irul de ani
ordonat cresctor dup LAD
b) Pentru fiecare lun L din cele 3 luni se calculeaz modulele diferenelor dintre viteza
medie a vntului pentru luna L din anul respectiv i viteza medie calculat pentru luna L
pe ansamblul tuturor anilor. Ca lun L tipic se alege luna din aceti 3 ani pentru care
diferena este cea mai mic.
p
LpLAppLA F,FFSw=d
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
37/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
37
Dup alegerea unei luni tipice pentru fiecare lun calendaristic, deoarece s-ar putea ca
lunile tipice s fie din ani diferii i deci la frontiera dintre ele ar putea s apar discontinuiti
mari ntre valorile parametrilor climatici considerai, se trece la etapa a doua, care const n
netezirea tranziiei (prin tehnici de lisare), utiliznd ultimile 8 ore din prima lun i primele 8 ore
din luna urmtoare.
Anul de referin a fost astfel construit pentru cele 43 locaii ale staiilor meteorologice
judeene (incluznd i cele dou staii ale municipiului Bucureti), pentru urmtorii parametri
meteorologici: temperatura aerului [oC]; umiditatea relativ [%]; temperatura punctului de rou
[oC]; coninutul de umiditate [g/kg]; viteza vntului [m/s].
Pentru staiile meteorologice Bucureti-Afumai, Constana, Galai, Iai, Cluj-Napoca,
Craiova i Timioara anul de referin a fost construit i pentru radiaia direct i difuz
[cal/cm2]. In toate situaiile, viteza vntului a fost considerat ca variabil secundar, iar celelaltevariabile au fost considerate principale.
Dei exist baza de date cu parametrii climatici i pentru Bucureti, totui aceasta nu
conine date suficiente referitoare la radiaia solar pentru a putea fi folosit n calculul
consumului de energie. Aa cum s-a descris mai sus, anul tipic este structurat pe calupuri de date
furnizate pentru fiecare lun. Astfel, dac una dintre aceste date lipsete (i anume radiaia
solar), nu se pot folosi nici celelalte date meteorologice incluse n anul de referin, deoarece ar
conduce la erori semnificative s considerm valoarea radiaiei furnizat de alt baz de date iar
restul parametrilor s fie luai din baza de date a anului tipic meteorologic.
De aceea, datele climatice utilizate n lucrarea de fa (temperatura exterioar i
intensitatea radiaiei solare) au fost determinate prin medierea valorilor orare furnizate de baza
de date METEONORM a programului de simulare Trnsys, pentru fiierul meteo Bucureti.
Astfel, temperatura exterioar medie lunar pentru Bucureti pentru lunile cu o posibil
climatizare este dat n tabelul urmator:
Tabel 1.9 : Temperaturi medii exterioare
e Februarie Martie Aprilie Mai Iunie Iulie August Septembrie Octombrie Noiembrie
C -0,15 4,79 11,08 16,74 19,98 22,04 21,3 16,74 10,89 5,13
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
38/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
38
Intensitatile radiaiei solare medii lunare pentru Bucureti pentru lunile cu o posibil
climatizare:
Tabel 1.10 : Intensitile medii ale radiaiei solare
n cadrul programul de simulare Trnsys valorile temperaturii exterioare i ale radiaiei
solare sunt furnizate or de or prin intermediul subrutinei Type109-TMY2-Weather, subrutin
ce conine fiierul meteo realizat cu ajutorul programului Meteonorm i care are rolul de a citi i
procesa datele din fiierul meteo introdus.
Pe lng interesul direct de utilizare a datelor climatice n simulrile pentru studiile de
caz prezentate n capitolele 2 i 3, analiza modului n care trebuie prelucrate datele climatice
pune n eviden particularitile metodei statistice utilizate, n concordan cu aplicaiile care au
un caracter de prognoz (n cazul de fa a consumurilor de energie din cldiri)
Luna N S E V Oriz.
Februarie 27,4 104,54 52,45 55,4 81,93Martie 39,67 110,06 71,84 78,69 118,99
Aprilie 54,22 122,23 114,33 114,28 184,88
Mai 68,8 114,39 132,6 126,26 224,95
Iunie 84,35 114,72 152,30 150,57 266,82
Iulie 80,12 120,67 147,29 153,59 262,84
August 58,27 140,30 139,98 135,63 235,88
Septembrie 45,92 150,76 107,28 103,25 169,83
Octombrie 31,2 139,73 75,79 73,59 112,83
Noiembrie 20,4 84,67 37,34 39,6 57,9
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
39/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
39
I.8. Sistemul de rcire
Pentru a evalua consumul de energie pentru instalaia de climatizare se calculeaz mai
nti un necesar de rcire pentru cldirea sau zona de cldire considerat, prin metoda lunar sau
metode orare. Consumul de energie din sistemul de climatizare, n cazul n care se ia nconsiderare numai cldura sensibil, se determin cuplnd metodele de calcul ale necesarului de
energie pentru rcirea cldirii, cu metodele de calcul al consumului de energie din sistem.
Energia consumat de sistemele de climatizare (rcire) se poate calcula printr-o metod
simplificat, pe baza randamentului global al sistemului, sau printr-o alt metod mai complex,
pe baza puterilor calculate n condiii nominale de calcul i considernd un timp de funcionare
echivalent al sistemului.
1) Evalarea energiei consumate pe baza randamentului global al sistemului declimatizare.
Energia consumat se determin cu relaia:
R,sist
Rsist,R
Q=Q (1.19)
unde: QR,sist - energia consumat n sistemul de rcire, care include pierderile de energie ale
sistemului, [MJ];
QR - energia necesar pentru rcire a cldirii sau zonei, [MJ],
sist,R - eficiena global a sistemului de rcire, care include pierderile de energie lagenerarea, transportul, acumularea, distribuia i emisia de agent termic (aer i ap) din sistem.
Aceast eficien nu ine cont de:
- energia electric auxiliar introdus n sistemul de climatizare, Qaux,
- de coeficientul de performan al sursei frigorifice.
De aceea, energia electric total consumat n sistemul de climatizare (rcire), Qel. tot ,
va fi:
aux
sistF,R
tot,el QCOP
Q
Q [MJ] (1.20)
n care:
COP - coeficientul mediu de performan al mainii frigorifice, indicat de productor.
Qaux energia electric auxiliar utilizat de pompe, ventilatoare, servomotoare etc;
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
40/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
40
Deoarece exist foarte puine date fiabile referitoare la eficiena global a sistemelor i
inndseama de diversitatea soluiilor tehnice, este recomandat ca pierderile i recuperrile de
energie s fie evaluate pe componente.
2) Evalarea energiei consumate pe baza puterilor calculate n condiii de calcul i considernd
un timp de funcionare echivalent al sistemului.
n acest caz se evalueaz separat:
- pierderile de energie din sistem, Qpierd,
- consumul de energie electric pentru transportul aerului n instalaiile de ventilare/climatizare,
Qta ,
- consumul de energie electric pentru transportul agentului primar (ap cald sau ap rcit) ce
alimenteaz componentele instalaiei de climatizare (Centrala de Tratare a Aerului i aparatele
locale de tratare a aerului), Qtap,
- energia electric auxiliar utilizat de pompe, ventilatoare, servomotoare etc, Qaux,
- energia recuperat n sistem, Qrec ,
- consumul de energie electric pentru producerea frigului, la nivelul sursei de frig.
Atunci, energia consumat n sistemul de rcire QR,sistF se calculeaz pe baz de bilan:
rectapatapierdRsistF,R QQQQQQ (1.21)
unde:
QR - energia necesar pentru rcire a cldirii sau zoneiDup evaluarea energiei pierdute sau recuperate n sistem, se calculeaz energia electric
total consumat n sistemul de climatizare (rcire), Qel,tot
auxsistF,R
tot,el QCOP
QQ [MJ] (1.22)
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
41/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
41
Capitolul 2
CALCULUL CONSUMULUI DE ENERGIE PENTRU
CLIMATIZAREA CLDIRILOR PRIN CALCUL LUNAR
II.1. Descrierea general a metodei de calcul
Metoda de calcul lunar se aplic pentru cldirile rezideniale sau nerezideniale sau pri
ale acestora, climatizate, fr controlul umiditii interioare.
Se consider numai cldura sensibil, nu i cea latent.
Metoda are ca obiectiv calculul energiei necesare rcirii cldirilor pentru asigurarea unei
temperaturi interioare prescrise precum i al energiei consumate de sistemul de climatizare
pentru realizarea acestui scop.
Principalele date de intrare necesare pentru efectuarea calculelor sunt:
- caracteristicile elementelor de anvelop i ale sistemelor de ventilare;
- sursele interne de cldur i umiditate,
- climatul exterior;- descrierea cldirii i a elementelor sale, a sistemelor de rcire i scenariului lor de utilizare;
- date privind sistemele de rcire i ventilare:
partiionarea cldirii n zone de calcul determinate de parametrii de confort diferi i/sau
scenarii de funcionare diferite;
pierderi de energie la sursele de rcire sau pe traseul de distribuie al agentului termic pn la
consumatori i eventuale recuperri ale acestei energii prin utilizarea recuperrii cldurii,
surselor regenerabile sau degajrilor interioare;
debitul de aer i temperatura aerului refulat (introdus) pe cale mecanic (fiind n prealabil
prenclzit sau/i prercit);
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
42/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
42
elementele de comand i control utilizate pentru meninerea parametrilor de confort la valorile
prescrise, de proiectare.
Principalele date de ieire (rezultate) ale metodei de calcul sunt:
- necesarul de energie lunar i anual pentru rcirea cldirilor ;
- consumul de energie lunar i anual pentru rcirea cldirilor ;
- durata sezonului de rcire;
- consumul de energie auxiliar pentru rcire i ventilare.Principalele date de ieire aditionale sunt:
- valori lunare pentru principalele elemente ce intervin n bilanurile de energie: transmisie,
ventilare, surse interne, aporturi solare;
- contribuia surselor de energie regenerabile;- pierderile din sistem i eventualele recuperri ale acestora.
Perioada de calcul utilizat de metoda prezentat este de o luna.
Pentru fiecare lun de calcul, necesarul de energie pentru rcire este calculat cu relaia:
Trsurse QQRQ (2.1)
Transferul total de cldur intre cldire i exterior este:
VT QQTrQ (2.2)
Cldura total datorat surselor interioare este Qsurse:
Sintsurse QQQ (2.3)
Necesarul de energie pentru rcire cuprinde urmtoarele etapele de calcul :
-calculul transferului de cldur prin transmisie
-calculul transferului de cldur ventilaie
-calculul aporturilor solare
-calculul aporturilor de cldur ale surselor interne
-calculul parametrilor dinamici
-calculul necesarului total de energie pentru rcire
n continuare vor fi prezentate relaiile de calcul aferente acestei metode cu valori
numerice pentru cldirea de birouri folosit n studiile de caz, cldire prezentat la subcapitolul
II.2. Ipoteze de calcul.
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
43/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
43
II.1.1. Transferul de cldur
Prin transmisie
Calculul coeficienilor de transfer prin transmisie
Transferul de cldur prin transmisie cuprinde transferul unidirecional prin suprafee i
transferul datorat punilor termice.
HT = L+Ls+Hu (2.4)
L - coeficientul de cuplaj termic prin anvelopa cldirii, n [W/K];
kkjj l*A*UL (2.5)
Elementul de construcie Rj Uj = 1/Rj Aj Uj * Aj j * lj L
[ - ] [ mK/W] [ W/mK ] [ m ] [ W/K ] [ w/mK ] [ W/K ]
Perete exterior 1.83 0.55 340.92 185.83 14.08 199.91Ferestre 0.78 1.29 43.20 55.60 0.00 55.60Teras 3.65 0.27 225.07 61.63 11.14 72.77
Tabel 2.1.: Calculul coeficientului de cuplaj termic prin anvelopa cldirii
Ls - coeficientul de cuplaj termic prin sol, n [W/K];
Elementul de construcie Rj Uj = 1/Rj Aj Uj * Aj j * lj Ls
[ - ] [ mK/W] [ W/mK ] [ m ] [ W/K ] [ w/mK ] [ W/K ]
Plac pe sol 5.77 0.17 225.07 38.99 73.45 112.44
Tabel 2.2.: Calculul coeficientului de cuplaj termic prin sol
Hu - coeficientul de pierderi termice prin spaii nenclzite, n [W/K];
Hu = 0
Influena punilor termice este introdus n expresia coeficientului L i Ls. [14]
Element deconstructie Detaliu
TabelnormativC107/3
l *l
[-] [-] [-] [W/mK] [m] W/m2K
Intersectie pereti cu termoizolatie farastalpisor =40 cm 2 -0.01 69.3 -0.69
Colt pereti cu termoizolatie farastalpisor =40 cm 4 0.09 29.7 2.67
Pereteexterior
(PE)
Tamplarie dublu (glaf lateral) =36,5cm, a=10 cm
51 0.06 57.6 3.46
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
44/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
44
Solbanc-tamplarie dubla, = 40 cm,PEcu termoizolatie
53(a=9cm)
0.15 36 5.40
Buiandrug-tamplarie dubla, = 40cm,PE cu termoizolatie
54(h=10cm)
0.09 36 3.24
Total 14.08
Intersectie terasa cu pereti interiori 46 0.1 85 8.50Intersectie terasa cu pereti exteriori 35 0.07 37.75 2.64Teras(TE)
Total 11.14Intersectie placa pe sol cu peretiinteriori
3.1-C107/5 0.64 85 54.40
Intersectie placa pe sol cu peretiexteriori 4-C107/5 0.5 38.1 19.05
Plac pesol
(pl-S)Total 73.45
Tabel 2.3.: Coeficieni care intr n calculul punilor termice
Valorile coeficienilor de transferHT sunt calculai n funcie de tipul fiecrui element de
construcie.
HPE coeficient de transfer termic prin transmisie pentru peretele exterior ;
HPE = 199,91 W/K
HFE coeficient de transfer termic prin transmisie pentru fereastr ;
HFE = 55,6 W/K
HTE coeficient de transfer termic prin transmisie pentru teras ;
HTE
= 72,76 W/K
Hpl-Sol coeficient de transfer termic prin transmisie pentru plac pe sol ;
Hpl-Sol = 112,44 W/K
HT coeficient total de transfer termic prin transmisie;
HT = 440,72 W/K
Calculul fluxului disipat prin transmisie
Fluxul total de cldur cedat prin transmisie este calculat pentru fiecare lun cu relaia :
)]-(*H[ ke,in
1kk,TT
(2.6)
Energia disipat prin transmisie:
t*Q TT (2.7)
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
45/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
45
HT,k coeficientul de transfer de cldur prin transmisie a elementului k ctre zona de
temperatur e,k ;
i - temperatura interioar a cldirii sau a zonei considerate;
e,k - temperatura spaiului exterior elementului k ;
t durata de calcul.
Sezonul de rcire HT [W/K] i [C] e [C] T [W]
Martie 4.79 -8907Aprilie 11.08 -6135
Mai 16.74 -3640Iunie 19.98 -2212Iulie 22.04 -1305
August 21.3 -1631
Septembrie 16.74 -3640
Octombrie 10.89 -6219Noiembrie
440.727 25
5.13 -8757
Tabel 2.4.: Calculul fluxului disipat prin transmisie
Fluxul disipat prin transmisie, respectiv energia, rmn aceleai pentru fiecare caz
studiat, deoarece n calculul acestora nu se regsesc nici temperatura de introducere, nici
numrul de ocupani, acetia fiind parametrii care variaz pe parcursul studiilor.
Prin ventilare
Calculul coeficienilor de transfer prin ventilare
vaaV V*c*=H (2.8)
unde:
a ca - capacitatea caloric a aerului refulat poate fi considerat cu valoarea de 1200 J/m3K
Vv debitul de aer proaspt
Debitul de aer proaspt s-a calculat pentru categoria de ambian II - nivel normal
recomandat cldirilor noi sau renovate. Acesta corespunde unei categorii de calitate a aerului
interior IDA 2, pentru o calitate medie a aerului interior. Aceste clase de calitate au fost descrise
n capitolul 1.
Sistemul de ventilare al cldirii este de tipul numai aer, considerandu-se un debit de aer
proaspat de 25 m3/h/pers pentru fiecare ocupant, n mediu n care nu se fumeaz, si respectiv un
debit specific de aer proaspat de 2,52 m3/(h*m2)pentru cldirile puin poluate (conform [89]).
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
46/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
46
Bppersv q*Aq*NV (2.9)
unde: Npers numrul de persoane;
qp debitul de aer proaspt pentru o persoan, [l/s/pers sau m3/h/pers];
A aria suprafeei pardoselii [m2], A=675,21 m2 ;
qB debitul de aer proaspt, pentru 1 m2 de suprafa, [l/s/m2 sau m3/h/m2];
Calculul fluxului disipat prin ventilare
Fluxul pierdut-primit de ctre cldire prin ventilare este calculat cu relaia :
)]-(*H[ kintr,in
1kk,vV
(2.10)
Energia disipat prin ventilare:
t*QVV
(2.11)
unde:
QV- energia total transferat ctre zona z, prin ventilare;
HV,k - coeficientul de transfer prin ventilare datorat aerului refulat n zona z, prin elementul k;
i - temperatura interioar a cldirii sau a zonei considerate;
intr,k - temperatura spaiului exterior elementului k,;
t - durata de calcul.
n cazul n care debitul de aer proaspt este introdus cu temperatura interioar, diferenade temperaturi este nul i astfel i energia disipat prin ventilare este nul.
II.1.2. Aporturile interioare de cldur
Aporturile solare
Calculul aporturilor solare rmne acelai pentru toate cazurile studiate, deoarece acestea
nu sunt influenate nici de temperatura de introducere a aerului, nici de gradul de ocupare alcldirii.
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
47/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
47
Aria de captare efectiv a radiaiei solare pentru elemente vitrate
Aceasta arie se calculeaz cu relaia:
FtuF,S A*F1**FA (2.12)
Orientare AFn F Fu Ft AS,F
[-] [m2] [-] [-] [-] [-] [-] [m2]
S 43.20 0.75 0.90 1.00 0.20 0.675 23.33
Tabel 2.5.: Calculul ariei de captare efectiv a radiaiei solare pentru elemente vitrate
Aria de captare efectiv a radiaiei solare pentru elemente opace
Aria de captare efectiv a unui element opac de anvelopa (perete, teras) se calculeaz cuformula:
ppse,ppp,s A*U*R*A (2.13)
Valorile numerice ale acestor coeficieni sunt:
p = 0,7 pentru perete exterior (tencuial ciment)i 0,91 pentru teras (pietri);
Rp,se= 0,083 m2K/W (pentru situaia de var hre=12) ;
Up = 0,59 W/m2K pentru perete exterior i Up = 0,32 W/m
2K pentru teras.
Orientare Element AP U P Rp,se AS,P
[-] [-] [m2] [w/m2k] [-] [m2K/W] [m2]
S Perete exterior 270.63 0.59 0.70 0.083 9.26E Perete exterior 70.29 0.59 0.70 0.083 2.40
Oriz Teras 225.07 0.32 0.91 0.083 5.52
Tabel 2.6.: Calculul ariei de captare efectiv a radiaiei solare pentru elemente opace
Radiatia termic nspre cer
Fluxul de cldura unitar transferat prin radiaie ctre bolta cereasc se scrie sub forma:
ceree,rpppcer *h*A*U*R (2.14)
hr,e coeficient de transfer de cldur prin radiaie la exterior, [W/m2K];
cere - diferena medie de temperatur dintre aerul exterior i temperatura aparent a bolii
cereti, [C];
Coeficientul de transfer de cldur prin radiaie la exteriorhr,ese aproximeaz cu relaia : 5h re W/m.K
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
48/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
48
S-a considerat emisivitatea =1, i astfel a rezultat hre=5 W/m.K
Pentru Romnia, cnd temperatura boltei cereti nu este disponibila n datele climatice,
se ia o valoare a diferenei medii de temperatura, cere , de 11 C.
Orientare Element Rp,se AP U hre e-cer cer[-] [-] [m2K/W] [m2] [w/m2k] [w/m2k] [K] [W]
S PE 0.083 270.63 0.59 5.00 11.00 727.343S FE 0.083 43.20 1.29 5.00 11.00 254.851E PE 0.083 70.29 0.59 5.00 11.00 188.911
Oriz TE 0.083 225.07 0.32 5.00 11.00 333.522
Tabel 2.7.:Pierderea de cldur prin radiaie ctre bolta cereasc
Calculul efectiv al aporturilor solare
Orientare
Element
constructie
lungime(m)
inaltime/
latime(m)
Nr.elemente
Suprafata
(m)
Suprafata
corectata
(m)
Rezistenta
(m2K/W)
As,p(m)
As,fe(m)
cer(W)
Fu Fsu Ff
Pereteexterior 31.7 9.9 1 313.83 270.63 1.705 9.26 727.34 1 1 0.5Sud
Fereastra 1.5 1.2 24 43.2 - 0.777 23.33 254.85 1 1 0.5
EstPerete
exterior 7.1 9.9 1 70.29 - 1.705 2.40 188.91 1 1 0.5Oriz Terasa 31.7 7.1 1 225.07 - 3.093 5.52 333.52 1 1 1
martie aprilie mai iunie iulie
Is(W/m)
s (W)Is
(W/m)s (W)
Is(W/m)
s (W)Is
(W/m)s (W)
Is(W/m)
s (W)
110.06 655.16 122.23 767.82 114.4 695.247 114.72 698.302 120.67 753.382110.06 2440.05 122.23 2723.96 114.4 2541.064 114.72 2548.762 120.67 2687.56471.84 78.27 114.33 180.43 132.6 224.333 152.3 271.722 76.0 88.273119.0 323.10 184.9 686.70 225.0 907.813 266.8 1138.863 262.8 1116.900
3496.59 4358.9 4368.457 4657.649 4646.118
-
7/29/2019 Teza Doctorat Anca Ionescu
49/144
Cercetri privind consumul de energie pentru climatizarea cldirilor
49
august septembrie octombrie noiembrie
Is(W/m)
s (W)Is
(W/m)s (W)
Is(W/m)
s (W)Is
(W/m)s (W)
140.3 935.098 150.76 1031.927 139.73 929.822 84.7 420.404140.3 3145.493 150.76 3389.504 139.73 3132.196 84.7 1848.456
139.98 242.101 107.3 163.480 75.79 87.768 37.3