SISTEME DE INSTALATII INTERIOARE PENTRU CASE PASIVE ADECVATE CONDITIILOR CLIMATICE DIN ROMANIA

Transcription

1 SISTEME DE INSTALATII INTERIOARE PENTRU CASE PASIVE ADECVATE CONDITIILOR CLIMATICE DIN ROMANIA CATALIN TEODOSIU UTCB, Facultatea de Instalatii, Abstract This paper presents the basic guidelines concerning the design of systems for Passive Houses in Romania. First, a brief introduction of passive house concept in actual and foreseen energetic context is given. This is followed by proposed system solutions for ventilation (double flux heat recovery units), heating and domestic hot water production (solar collectors and several types of heat pumps) and cooling (earth-to-air heat exchanger). 1. Introducere. Conceptul de Casa pasiva Energia este un element esential pentru functionarea economiei oricarei tari. Perioada in care Europa beneficia de resurse energetice sigure si ieftine a luat insa sfarsit, iar toti membrii UE se confrunta cu provocarile ridicate de schimbarile climatice, de dependenta din ce in ce mai mare de importurile de energie, precum si de preturile tot mai ridicate ale energiei. Sectorul energetic, in care este inclus si consumul casnic si tertiar, genereaza 80% din emisiile de gaze cu efect de sera din UE, reprezentand principala cauza a schimbarilor climatice si, in mare masura, a poluarii atmosferice. UE s-a angajat sa gaseasca solutii de atenuare a schimbarilor climatice, in special prin reducerea volumului global al emisiilor de gaze cu efect de sera, atat in cadrul Uniunii cat si pe plan mondial, pana la un nivel care sa limiteze incalzirea globala la valori doar sensibil superioare celor din era preindustriala. Se apreciaza ca, daca se continua politicile actuale in materie de energie si transport, nivelul emisiilor de CO 2 va creste pana in 2030 cu 5% la nivelul UE si cu 55% la nivelul planetei. Rezulta clar necesitatea unor actiuni sustinute, corelate la nivel mondial pentru depasirea acestei crize. Documentele UE arata ca in cladirile de locuit si in cele din sectorul tertiar, se consuma aproximativ 40% din energia totala si se mentioneaza tendinta de crestere a acestuia prin utilizarea de instalatii de ventilare si climatizare, mai ales in sudul UE, ceea ce va conduce la cresterea consumului. Eficienta energetica este primul element al politicii energetice europene resimtit de cetateni. O eficienta energetica sporita poate aduce contributia decisiva pentru obtinerea durabilitatii, competitivitatii si a securitatii aprovizionarii. In acest context, preocuparile arhitectilor si inginerilor pentru reducerea consumurilor energetice in cladiri au condus la o redescoperire a principiilor de control a mediului interior prin forma cladirilor, orientarea lor, modului de dispunere a deschiderilor, performantele termice ale materialelor, adica prin utilizarea unor tehnologii pasive. O conceptie strict pasiva. nu presupune nici o interventie mecanica, dar aceasta solutie nu este în general cea optima, deoarece integrarea 1

2 unor dispozitive mecanice si electrice este impusa chiar de functionarea corecta a elementelor pasive. Arhitectura pasiva este deci un termen generic, utilizat pentru a defini un demers care are ca obiectiv reducerea consumurilor de energie primara pentru incalzirea, iluminatul si climatizarea unei cladiri. In 1991 Wolfgang Feist si Bo Adamson au aplicat conceptul de.arhitectura pasiva la constructia unei case in Darmstat. Aceasta s-a dovedit foarte eficienta, atat din punct de vedere al consumului energetic, cat si din cel al confortului realizat la interior. Experienta s-a reluat patru ani mai tarziu cu o alta cladire bazata pe aceleasi concepte. Pornind de la rezultatele obtinute, W. Feist a definit în 1995 conceptul de «Casa pasiva» (Passivhaus), care abordeaza trei aspecte esentiale: - limitarea drastica a consumurilor energetice pentru incalzire si climatizare; - realizarea unor exigente sporite de calitate (confort termic); - definirea unei serii de sisteme pasive privilegiate. Pe baza acestor principii au fost construite peste de case pasive in Germania, Austria, Elvetia, Belgia si in alte tari din Europa Centralã. Casa pasiva este o cladire care trebuie sa asigure confortul interior atat in perioada de iarna, cat si in perioada de vara cu consumuri reduse de energie. Principalele criterii de calitate pentru casa pasiva au fost definite de Institutul Passivhaus din Darmstadt (Dr. Wolfgang Feist), dupa cum urmeaza: - consumul anual pentru incalzire nu trebuie sa depaseasca valoarea de 15 kwh/m 2 an; - consumul total de energie primara pentru toti consumatorii din locuinta (incalzire, apa calda menajera, ventilatie, pompe, iluminat, gatit si aparate casnice) nu trebuie sa depaseasca valoarea de 120 kwh/m 2 an; - temperatura interioara nu va cobori sub 20 C in timpul iernii, iar in timpul verii va fi mentinuta sub 26 C; - testul de etanseitate (la 50 Pa) a anvelopei casei, realizat dupa normele EN 13829, trebuie sa indice un schimb de aer de maxim 0,6 h -1 ; - valorile necesarului de energie se calculeaza cu programul de calcul intocmit de Passivhaus Institut : «Passive Hause Planning Package» (PHPP). Pornind de la aceste limitari, eventuale consumuri suplimentare de energie pot fi acoperite cu surse regenerabile de energie. Toate acestea inseamna ca intregul consum energetic al unei case pasive este mai putin de un sfert din energia consumata de o cladire noua care satisface reglementarile nationale in vigoare, si mai putin decat energia electrica si de preparare a apei calde menajere intr-o cladire noua medie din Europa. Pe de alta parte, conceperea unei solutii pentru Casa pasiva trebuie sa fie adaptata conditiilor climatice si geografice specifice amplasamentului. Mai ales detaliile privind izolatia cladirii, ferestrele si ventilarea nu pot fi aceeasi in oricare parte de pe glob s-ar afla amplasamentul. Conditiile specifice fiecarei regiuni, de care trebuie sa se tina seama in proiectarea casei pasive in special, sunt traditiile de construire locale si conditiile specifice climatice. Rezulta motivatia pentru adaptarea cerintelor unei Case pasive la conditiile geografice si climatice specifice amplasamentelor din Romania. Se impune o analiza a solutiilor arhitecturalconstructive si elaborarea unui ghid de proiectare si executie a unor tipuri de Case pasive adaptate tarii noastre. 2

3 In acest sens exista in derulare un proiect de cercetare in cadrul Programului de Inovare, autoritatea contractanta fiind AMCSIT Politehnica Bucuresti, la care participa ISPE Bucuresti, UPB, UTCB, UAUIM si ICPE. Lucrarea de fata prezinta sinteza cercetarilor efectuate in cadrul acestui proiect privind propunerile de sisteme de instalatii pentru case pasive adecvate conditiilor climatice din Romania. 2. Solutii de sisteme de instalatii interioare Sistemele de instalatii interioare se refera la urmatoarele aspecte: - ventilare - incalzire si apa calda menajera - racire 2.1. Sistem de ventilare In ceea ce priveste ventilarea, aceasta este indispensabila in primul rand datorita considerentelor de ordin igienic (asigura evacuarea substantelor nocive provenite de la materiale de constructie, lacuri si vopsele, adezivi, mochete, mobile, fum de tigara, produse de intretinere, mirosuri, etc ). De asemenea, introducerea continua de aer proaspat impiedica atingerea unei concentratii prea mari de CO 2. Ventilarea permite in acelasi timp evitarea problemelor legate de umiditate care pot conduce la afectarea sanatatii ocupantilor si degradarea prin condens a elementelor de constructie. Avantajul utilizarii unui sistem de ventilare se traduce prin confortul cotidian asigurat, aerul proaspat introdus permanent in interior, disiparea rapida a mirosurilor, concentratia de praf mult mai redusa, etc. Evitarea deschiderii ferestrelor pentru aerisire permite de asemenea reducerea nivelului de zgomot perceput de la exteriorul cladirii (circulatie in mod special). Pe timpul sezonului calduros ventilarea contribuie in mod direct la disiparea caldurii care se acumuleaza pe timpul zilei la interiorul cladirii. Sistemul de ventilare propus spre folosire in cadrul casei pasive este un sistem de ventilare mecanic de tip double flux (fig. 1). Fig. 1: Sistem de ventilare dublu flux 3

4 Pentru a controla sensul miscarii aerului, alimentarea cu aer proaspat se va face in incaperile uscate (sufragerie, dormitoare ) in timp ce evacuarea aerului viciat se va efectua acolo unde poluarea aerului este mai importanta, adica in zonele umede (bucatarie, baie, wc ) sau de serviciu (holuri). Intre incaperile cu dispozitive de introducere si cele cu dispozitive de evacuare, aerul circula prin intermediul deschiderilor de transfer pozitionate la nivelul usilor sau peretilor (fig. 2). Fig. 2: Realizarea unui sistem de ventilare dublu flux Diferenta de presiune intre zonele uscate care se afla in suprapresiune si zonele umede (in depresiune) asigura un debit de aer permanent in sensul dorit de circulatie al aerului. Se evita astfel ca mirosurile neplacute sa fie preluate din bucatarie sau din baie catre sufragerie sau dormitoare. Se propune de asemenea recuperarea de caldura plecand de la sistemul de ventilare dublu flux (fig. 3). Randamentul dispozitivului de recuperare a caldurii trebuie sa fie cuprins intre 75 95%. Fig. 3: Schema de principiu pentru ventilare mecanica dublu flux cu recuperare de caldura Recuperatorul de caldura recomandat este de tip schimbator de caldura cu placi (schimbator de caldura in contracurent) fig. 4. 4

5 Fig. 4: Exemplu de recuperator de caldura in placi Intr-o casa obisnuita, pierderea de caldura datorata ventilarii poate atinge valori de kwh/m 2,an. Intr-o casa pasiva datorita recuperarii de entalpie, pierderea de caldura atinge valori mult mai reduse (2 7 Kwh/m 2,an). Debitul de aer de ventilare trebuie sa asigure la nivelul intregii constructii 0,5 h -1 schimburi de aer. Conductele de aer prin care aerul circula in interiorul casei vor fi izolate corespunzator astfel incat sa se reduca la maxim pierderile de caldura si nivelul de zgomot (intre 6-10 cm de izolatie). In situatia de vara cand nu se mai pune problema recuperarii de caldura se poate introduce un by-pass (fig. 3). Sistemul propus permite refularea unui aer la o temperatura de 20 C in conditiile in care aerul interior este la 22 C iar aerul exterior la -10 C. De asemenea, acest sistem poate fi cuplat cu sistemul de incalzire si apa calda menajera sau cu sistemul de put canadian folosit in principal pentru racire pasiva, asa cum este explicat mai jos Sistem de incalzire si producere apa calda menajera (a.c.m.) Necesarul de energie pentru incalzire al unei case pasive este extrem de redus in comparatie cu constructiile obisnuite. Din acest motiv solutiile de sisteme clasice de incalzire nu pot fi luate in considerare. Se prezinta mai jos solutiile retinute in vederea asigurarii incalzirii si producerii de a.c.m. pentru casa pasiva. Studii de caz vor demonstra fezabilitatea fiecareia dintre solutii si alegerea celei mai bune dintre acestea. - producere a.c.m. : solutia propusa consta in utilizarea de panouri solare cu un aport, daca este necesar, de la sistemul de incalzire - incalzire: 5

6 - panouri solare si gaz: a.c.m. este preincalzita prin intermediul panourilor solare, iar sursa auxuliara de energie poate fi constituita de un mic cazan in condensatie (microcentrala) de maxim 15 kw, functionand pe gaz natural. Microcentrala poate fi racordata la boiler (randament inalt) sau la sistemul de ventilare pentru a incalzi aerul refulat in casa (randament de functionare scazut in acest caz). Se face observatia ca o astfel de solutie este viabila mai degraba in cazul mai multor case care ar fi deservite de acest tip de sistem (minim 5 consumatori). - panouri solare si pompa de caldura aer/apa: solutie compacta ce combina productia de a.c.m., ventilarea si incalzirea (preincalzirea aerului refulat). Principiul de functionare este urmatorul (fig. 5): pompa de caldura este cuplata cu sistemul de ventilare cu recuperare de caldura explicat mai sus; pompa de caldura transfera caldura reziduala din aerul viciat catre rezervorul de a.c.m.; un schimbator de caldura suplimentar intre a.c.m. si aerul refulat asigura incalzirea. Se recomanda prevederea unei surse suplimentare de energie pentru situatiile in care pompa de caldura nu satisface in totalitate necesarul de incalzire si a.c.m. (panouri solare sau rezistenta electrica, de preferat prima varianta). Fig. 5: Sistem de incalzire si a.c.m. cu pompa de caldura aer/apa - panouri solare si pompa de caldura aer/aer: in aceasta situatie, cele doua functii (incalzire si a.c.m) sunt distincte. Pentru a.c.m. se folosesc panourile solare care asigura incalzirea apei intr-un boiler iar pentru incalzire o pompa de caldura aer/aer racordata la sistemul de ventilare cu recuperare de caldura. Aceasta va transfera caldura reziduala din aerul viciat direct aerului refulat in casa in loc de a comunica cu boilerul de a.c.m. ca in situatia precedenta. - panouri solare si pompa de caldura sol/apa (fig. 6): in aceasta situatie pompa de caldura va extrage caldura din sol (prin sonde verticale) si o va transfera unui boiler bivalent alimentat si de panouri solare. Boilerul bivalent va produce a.c.m. si agentul termic necesar pentru un 6

7 sistem de pardoseala radianta (incalzire in pardoseala). In aceste conditii se dispune de sisteme separate de incalzire si ventilare. Avantajul sistemului consta in posibilitatea utilizarii si ca racire pasiva pe perioada estivala a pardoselii radiante. Fig. 6: Sistem de incalzire/racire cu pompa de caldura sol/apa si pardoseala radianta Indiferent de solutia retinuta, toate conductele de a.c.m. vor fi izolate pentru a reduce pierderile de caldura (grosime izolatie: aproximativ jumatate din diametrul conductei) Sistem de racire In afara variantei de racire pasiva in cazul folosirii sistemului cu pompa de caldura sol/apa si incalzire in pardoseala, se propune si studierea eficacitatii sistemului bazat pe tehnica de put canadian care poate fi cuplat la sistemul de ventilare. Avantajul acestui sistem consta in faptul ca poate fi utilizat si iarna pentru preincalzirea aerului de ventilare. Solul la 2 metri adâncime prezintă o temperatură practic constantă tot timpul anului, variaţiile fiind între C în funcţie de sezon, în timp ce temperatura aerului exterior poate varia de la -15 C la +35 C în majoritatea regiunilor din ţară. Puţul canadian exploatează această temperatură constantă: aerul, în loc să fie preluat direct din exterior, va circula într-un canal îngropat, în contact cu solul pentru a avea loc un transfer de căldură. Principiul de funcţionare constă astfel în a vehicula aerul în conducte îngropate înainte de a fi introdus în clădiri (fig. 7): iarna, temperatura solului este mai ridicată decât temperatura aerului, deci aerul rece este preîncălzit în momentul trecerii sale prin conductele îngropate; vara, temperatura solului este mai coborâtă decât cea a aerului, de această dată aerul este răcit în momentul trecerii sale prin conductele îngropate; primăvara şi toamna, sistemul cu puţ canadian prezintă mai puţin interes deoarece temperatura aerului se apropie de cea de confort, cuprinsă între 18 şi 22 C. Sistemul va fi deconectat dacă este nevoie prin intermediul unui by-pass pentru a nu se ajunge la un efect invers în aceste perioade (fig. 7). Dimensionarea sistemului cu put canadian trebuie corelata cu sistemul de ventilare al casei. Dimensionarea trebuie sa tina cont de parametrii urmatori: debit de aer necesar, lungime (de regula intre m); diametru (de regula 20 cm); viteza de curgere a aerului (maxim 3 7

8 m/s); caracteristici sol (nisipos, argilos, prezenta pinzei de apa freatica care imbunatateste schimbul de caldura, etc.); adancime (in general este necesara o adancime de minim 1,5 m). Fig. 7 Schema de principiu put canadian 3. Bibliografie A. Guerriat La maison passive. Introduction pour les architectes et les futurs maitres d ouvrages, G. Doneux et Fils, Belgia, W. Feist Recommendation for Inside Air Humidity in Winter, in Homes with Ventilation Systems, Particularly Passive Homes, Passivhaus Institut, Darmstadt, Germania, G. Makaka, E. L. Meyer, M. McPherson Thermal behaviour and ventilation efficiency of a low-cost passive solar energy efficient house, Renewable Energy, vol. 33-9, 2008, pag S. Thiers, B. Peuportier Thermal and environmental assessment of a passive building equipped with an earth-to-air heat exchanger in France, Solar Energy, vol. 82-9, 2008, pag V. Badescu Economic aspects of using ground thermal energy for passive house heating, Renewable Energy, vol. 32-6, 2007, pag