Cercetări privind consumul de energie pentru climatizarea clădirilor

Transcription

1 Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCŢII BUCUREŞTI Facultatea de Inginerie a Instalaţiilor TEZĂ DE DOCTORAT Cercetări privind consumul de energie pentru climatizarea clădirilor Doctorand Ing.Anca Maria IONESCU Conducător ştiinţific Prof.univ.dr.ing. Iolanda COLDA BUCUREŞTI

2 Titularul prezentei teze de doctorat a beneficiat pe întreaga perioadă a stagiului de pregătire doctorală de bursă atribuită prin proiectul Burse doctorale pentru ingineria mediului construit, cod POSDRU/59/1.5/S/2, beneficiar UTCB, proiect derulat în cadrul Programului Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane, finanţat din Fondurile Structurale Europene, din Bugetul naţional şi cofinanţat de către UTCB. 2

3 MULŢUMIRI Doresc, în primul rând, să adresez întreaga mea recunoştinţă şi consideraţie conducătorului meu ştiinţific, Prof. Univ. Dr. Ing. Iolanda COLDA, care m-a îndrumat cu profesionalism şi tact pedagogic pe durata pregătirii doctorale şi care m-a susţinut în momentele grele. Îi mulţumesc pentru încrederea, sprijinul şi atenta îndrumare pe care mi le-a oferit în toţi aceşti ani. Le mulţumesc distinşilor profesori membri ai comisiei de doctorat: domnului Prof. Univ. Dr. Ing. Șerban LAZĂR preşedinte Decan, Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti, doamnei Prof. Univ. Dr. Ing. Iolanda COLDA conducător ştiinţific membru Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti, domnului Conf. Univ. Dr. Ing. Vasilică CIOCAN referent membru Universitatea Tehnică Gheorghe Asachi din Iaşi, doamnei Conf. Univ. Dr. Ing. Marina VERDEŞ referent membru Universitatea Tehnică Gheorghe Asachi din Iaşi, domnului Conf. Univ. Dr. Ing. Andrei DAMIAN referent membru Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti, pentru faptul că au acceptat să facă parte din comisia de doctorat şi pentru sugestiile constructive făcute în urma analizării tezei mele, care au ajutat la îmbunătăţirea conţinutului tezei. De asemenea doresc să mulţumesc doamnei Şef de Lucrări Dr. Ing. Andreea VARTIRES pentru îndrumarea şi sprijinul acordat în realizarea tezei. Mulţumesc tuturor profesorilor mei şi Universităţii Tehnice de Construcţii Bucureşti care au contribuit la formarea mea profesională şi ştiinţifică. Mulţumesc din inimă familiei şi tuturor celor apropiaţi care m-au sprijinit şi m-au încurajat pe întreaga perioadă de desfăşurare a doctoratului. Anca Maria IONESCU 3

4 CUPRINS Capitolul 1 : PROBLEMATICA GENERALĂ REFERITOARE LA CONSUMUL DE ENERGIE DIN CLĂDIRI I.1. Cadrul legislativ I.2. Obiectivul lucrării I.3. Descrierea clădirii şi a elementelor de anvelopă I.4. Condiţiile de confort şi calitatea aerului I.5. Necesarul de energie la nivelul clădirii I.5.1. Transferul de căldură I.5.2. Aporturile interioare de caldura I.6. Consumul de energie în clădiri I.7. Datele climatice I.8. Sistemul de răcire Capitolul 2 : CALCULUL CONSUMULUI DE ENERGIE PENTRU CLIMATIZAREA CLĂDIRILOR PRIN CALCUL LUNAR II.1. Descrierea generală a metodei de calcul II.1.1. Transferul de căldură II.1.2. Aporturile interioare de căldură II.1.3. Perioada de racire II.1.4. Situaţia răcirii intermitente II.2. Ipoteze de calcul II.2.1. Ipoteze legate de clădire II.2.2. Programul de funcţionare II.3. Studii de caz II.3.1. Cazul 1 de referinţă - Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura interioară de calcul II.3.2. Cazul 2: Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura exterioară II.3.3. Cazul 3: Variaţia numarului de ocupanţi II.3.4. Cazul 4: Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatură variabilă II.4. Comparaţie între cazuri şi concluzii 4

5 Capitolul 3 : CALCULUL CONSUMULUI DE ENERGIE PENTRU CLIMATIZAREA CLĂDIRILOR PRIN METODE DINAMICE SIMPLIFICATE III.1. Metoda orară bazată pe analogia termo-electrică III.1.1 Rezolvarea ecuaţiei căldurii prin metoda diferenţelor 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 generală a programului de simulare III.2.2. Aplicarea analogiei electrice pentru programul CoDyBa III.2.3. Introducerea datelor de intrare în program III.3. Studii de caz III.3.1. Cazul 1 de referinţă - Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura interioară de calcul III.3.2. Cazul 2: Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura exterioară III.3.3. Cazul 3: Variaţia numarului de ocupanţi III.4. Compararea rezultatelor cu cele obţinute prin calcul lunar Capitolul 4 : CALCULUL CONSUMULUI DE ENERGIE PENTRU CLIMATIZAREA CLĂDIRILOR PRIN METODE DINAMICE AVANSATE IV.1. Programul Trnsys IV.1.1. Descrierea generală a programului de simulare IV.1.2. Avantajele programului IV.1.3. Introducerea datelor de intrare în program IV.2. Studii de caz IV.2.1. Cazul 1 de referinţă - Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura interioară de calcul IV.2.2. Cazul 2: Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura exterioară IV.2.3. Cazul 3: Variaţia numarului de ocupanţi IV.2.4. Cazul 4: Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatură variabilă IV.3. Compararea rezultatelor cu cele obţinute prin calcul lunar Capitolul 5: CONCLUZII,CONTRIBUŢII PERSONALE,DIRECŢII DE CERCETARE BIBLIOGRAFIE 5

6 Capitolul 1 PROBLEMATICA GENERALĂ REFERITOARE LA CONSUMUL DE ENERGIE DIN CLĂDIRI I.1. Cadrul legislativ În contextul schimbărilor pe plan climatic şi diminuării rezervelor de combustibili fosili, scăderea consumului de energie a devenit un obiectiv important al ţărilor din Uniunea Europeană, printre care şi România. Pentru a îndeplini acest obiectiv s-au elaborat o serie de măsuri legislative care au drept ţintă limitarea consumului de energie. Clădirile sunt responsabile pentru 40% din totalul consumului de energie în Uniunea Europeană. Sectorul construcţiilor se află în expansiune, ceea ce va duce la creşterea consumului de energie. Prin urmare, reducerea consumului de energie şi utilizarea energiei din surse regenerabile în sectorul clădirilor constituie măsuri importante necesare pentru reducerea dependenţei energetice a Uniunii şi a emisiilor de gaze cu efect de seră. [34] Pe plan european Cuantificarea consumului de energie are o importanţă majoră deoarece, până la 31 decembrie 2020, toate clădirile noi construite în UE vor trebui să producă aceeaşi cantitate de energie pe care o consumă, adică vor fi clădiri al căror 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. În Carta Verde (COM 769) din 29 noiembrie 2000, Pentru o Strategie Europeană în Aprovizonarea cu Energie, Comisia UE a stabilit trei aspecte legate de necesitatea promovării economisirii de energie: - securitatea aprovizionării cu energie, dacă nu se iau măsuri, dependenţa de import va atinge 70% în 2030, faţă de 50% în prezent, - problemele de mediu sunt din ce în ce mai accentuate, iar 94% din producţia de emisii de gaze are loc în procesele de producere şi utilizare a energiei, - UE are o influenţă limitată asupra condiţiilor de aprovizionare cu energie. 6

7 De aceea este necesar să se intervină pe partea necesarului de energie (DSM Demand Side Management) prin promovarea economiilor de energie în sectoarele clădirilor şi transporturilor.[72] Sectoarele clădirilor rezidenţiale şi terţiare (birouri, spaţii comerciale, hoteluri, restaurante, şcoli, spitale, săli de sport, piscine interioare) sunt cele mai mari consumatoare finale de energie, în special, pentru încălzire, iluminat, aparatură electrocasnică şi echipamente. Numeroase studii precum şi experienţa practică au arătat că în aceste sectoare există un mare potenţial de economisire de energie. În Carta Verde (COM 769) din 29 noiembrie 2000, Comisia reafirmă un obiectiv mai vechi: în fiecare an, să se imbunătăţească intensitatea energetică a consumului final cu 1% mai mult decât ar fi fost atins în mod normal. Ţinta stabilită este de 9% reducere în consumul final de energie măsurat în cel de-al 9-lea an de aplicare a acestei directive. Pentru sectorul clădirilor, acest obiectiv ar rezulta în evitarea a 100 Mt/an emisii de CO 2 sau aproximativ 20% din angajamentul UE la Kyoto. [72] Constanând că promovarea programelor pentru tehnologii noi nu a fost foarte eficientă şi că există diferenţe considerabile între nivelurile de performanţă energetică cerute de standardele actuale ale statelor membre, Parlamentul European şi Consiliul UE au adoptat în decembrie 2002 Directiva 2002/91/EC asupra Performanţei Energetice a Clădirilor. Obiectivul principal al acestei Directive este de a promova îmbunataţirea performanţei energetice a clădirilor în cadrul UE, sub rezerva unei abordări integrate astfel încât numai măsurile eficiente din punct de vedere economic să fie implementate. Dată fiind durata de viaţă a clădirilor (între 50 şi 100 ani), cel mai mare potenţial de imbunătăţire a performanţei energetice pe termen scurt şi mediu se află la clădirile existente. Directiva îşi propune să stabilească un cadru care va conduce la o mai bună coordonare între legislaţiile statelor membre în acest domeniu. Directiva are în vedere următoarele patru obiective: [33] - stabilirea unui cadru general pentru o metodologie comună de calcul a performanţei energetice integrate a clădirilor - aplicarea unor standarde minime de performanţă energetică pentru clădirile noi si anumite clădiri existente (de exemplu, mai mari de 1000 mp), atunci când acestea sunt renovate - schemele de certificare pentru clădirile noi sau existente pe baza standardelor de mai sus şi expunerea publică a certificatelor de performanţă energetică precum si a temperaturilor 7

8 interioare recomandate şi a altor factori climatici relevanţi in clădirile publice şi clădirile frecventate de către public. Certificatele trebuie să nu fie mai vechi de 5 ani, sa includă recomandări privind imbunătăţirea performanţei energetice şi să fie disponibile atunci când clădirile sunt vândute sau inchiriate - inspecţii specifice şi revizia cazanelor şi a instalaţiilor de incălzire/răcire: cazanele având o putere nominală intre 10 şi 100 kw trebuie inspectate regulat, cazanele având o putere nominală de peste 100 kw trebuie inspectate la interval de 2 ani, inspectarea intregii instalaţii de incălzire în cazul în care cazanele sunt mai mari de 10 kw şi mai vechi de 15 ani. Această Directivă a fost completată ulterior prin Directiva 2010/31/EC a Parlamentul European şi Consiliul UE privind performanţa energetică a clădirilor, adoptată la Strasbourg la 19 mai Începând cu 1 februarie 2012, Directiva 31/2010 va înlocui Directiva 91/2002, aceasta din urmă urmând a fi abrogată. Noua Directivă a apărut datorită necesităţii stabilirii unor acţiuni mai concrete, care să vizeze exploatarea marelui potenţial, încă nevalorificat, al economisirii de energie în sectorul clădirilor şi reducerea marilor decalaje între statele membre în ceea ce priveşte rezultatele obţinute în acest sector. Obiectivele Directivei 31 rămân aceleaşi ca şi în cazul Directivei 91, mai sus menţionate. La acestea se adugă obligativitatea statelor membre de a elabora planuri naţionale pentru creşterea numărului de clădiri al căror consum de energie este aproape egal cu zero. Acest obiectiv vine în întâmpinarea legislaţiei Europene conform căreia din 2021 toate clădirile noi construite vor fi clădiri zero energie iar din 2019 clădirile noi ocupate şi deţinute de autorităţile publice sunt clădiri al căror consum de energie este aproape egal cu zero. Planurile naţionale trebuie să cuprindă printre altele: [34] - informaţii privind politicile şi măsurile financiare pentru promovarea clădirilor al căror consum de energie este aproape egal cu zero, - măsurile naţionale referitoare la utilizarea energiei din surse regenerabile în clădirile noi şi în clădirile existente care fac obiectul unor renovări majore - obiective intermediare privind îmbunătătirea performantei energetice a clădirilor noi, până în stabilirea unui indicator numeric (exprimat în kwh/m 2 pe an) utilizat pentru stabilirea consumului de energie primară, care se poate baza pe valorile medii anuale naţionale sau regionale şi poate ţine seama de standardele europene relevante 8

9 Aceste planuri naţionale sunt transmise periodic Comisiei, care le evaluază şi publică un raport până la 31 decembrie 2012 şi ulterior o dată la trei ani, privind progresele înregistrate de statele membre privind creşterea numărului de clădiri al căror consum de energie este aproape egal cu zero. Pe baza acestui raport, Comisia elaborează un plan de acţiune referitor la transformarea clădirilor existente în clădiri al căror consum de energie este aproape egal cu zero. Directiva 31/2010 introduce nou conceptul de nivel optim din punct de vedere al costurilor. Acesta reprezintă nivelul de performanţă energetică care determină cel mai redus cost pe durata normată de funcţionare rămasă a unei clădiri sau a unor elemente de clădire. Pentru a determina nivelul optim din punctul de vedere al costurilor, se face o analiză costbeneficiu calculată pe durata normată de funcţionare, care trebuie să fie pozitivă. Pe plan naţional Având in vedere atenţia deosebită ce se acordă pe plan european economiei de energie şi protecţiei mediului precum şi pentru asigurarea condiţiilor de armonizare a reglementărilor naţionale cu cele europene referitoare la cerinţa de economie de energie, în ultimii ani au fost elaborate o serie de acte legislative în acest domeniu. Elaborarea Legii nr. 199/ Legea eficienţei energetice, având ca scop crearea cadrului legal pentru elaborarea şi aplicarea unei politici naţionale de utilizare eficientă a energiei, în conformitate cu prevederea tratatului Cartei Energiei, ale Protocolului Cartei Energiei privind eficienţa energetică şi aspectele legate de mediu şi cu principiile care stau la baza dezvoltării durabile, în cadrul căreia se instituie obligaţii şi stimulente pentru producătorii şi consumatorii de energie, în vederea utilizării eficiente a acesteia. Elaborarea Normelor metodologice pentru aplicarea Legii 199/2000 privind utilizarea eficientă a energiei, aprobate prin Hotărârea Guvernului României nr. 393/ , in care se definesc programele de eficienţă energetică, societăţile comerciale de management şi servicii energetice şi se specifică stimulentele fiscale şi financiare pentru activităţi care duc la creştereea eficienţei energetice. Legea 372 din privind performanţa energetică a clădirilor (publicată in Monitorul Oficial nr. 1 Partea I din ). Această lege transpune Directica 2002/91 în legislaţia românească. Conform legii, s-a instituit obligativitatea evaluarii performanţei energetice a clădirilor noi şi existente, clădirile noi trebuie să se conformeze unor cerinte minime privind performanţa energetică. Astfel, performanţa energetică a clădirilor trebuie să fie calculată 9

10 pe baza unei metodologii comune pentru ţările europene, bazată pe standardele europene CEN ISO existente deja sau care vor mai fi elaborate in continuare, dar care poate fi diferenţiată la nivel regional, luându-se insă in consideraţie condiţiile climatice locale şi care, pe lângă izolaţia termică include şi alţi factori cu un rol din ce in ce mai important, cum ar fi instalaţiile de incălzire şi de condiţionare a aerului, folosirea surselor de energie regenerabila şi configuraţia clădirii. Un sistem de certificare a clădirilor va conştientiza mult mai bine proprietarii, chiriaşii şi utilizatorii aspra nivelurilor de consum de energie. [60] Pentru realizarea condiţiilor de implementare a prevederilor din actele legislative prezentate mai sus, pe parcursul mai multor ani au fost elaborate o serie de reglementări noi sau au fost revizuite cele existente. Această activitate s-a desfăşurat pe două direcţii: - activitate coordonată de MDLPL (în prezent MDRT), in cadrul căreia au fost elaborate reglementări tehnice de tip: normativ, ghid, metodologie, specificaţie tehnică, soluţii cadru, - activitate coordonată de ASRO, in cadrul căreia au fost adoptate standarde europene ca standarde româneşti. Printre aceste reglementări tehnice se numără şi Metodologia de evaluare a performanţei energetice a unei clădiri MC001, reglementată prin OM 157/2007; aceasta transpune în România prevederile Directivei 2002/91/CE conform Legii nr. 372/2005 privind performanţa energetică a clădirilor. Normativul menţionat este compus din trei părţi: metodologia de determinare a caracteristicilor hidro-termo-energetice ale elementelor cae alcătuiesc anvelopa clădirii, metodologia de analiză a instalaţiilor şi echipamentelor clădirii şi metoda de întocmire a auditului energetic al clădirii şi a certificatului de performanţă energetică a clădirii. Ulterior, Ordinul 1071/ modifică şi completează OM 157/2007, adăugând încă două părţi Metodologiei de calcul, şi anume: partea IV Breviar de calcul al performanţei energetice a clădirilor şi apartamentelor, indicativ MC001/4-2009, şi partea V Model certificat de peformanţă energetică al apartamentului, indicativ MC001/ Astfel, metodologia este structurată la ora actuală pe cinci părţi. Obiectivele propuse de statele membre UE vor contribui la crearea de condiţii uniforme pentru eforturile de economisire a energiei făcute în sectorul construcţiilor şi vor oferi eventualilor proprietari sau utilizatori transparenţă în ceea ce priveşte performanţa energetică pe piaţa de proprietăţi imobiliare a Comunitaţii Europene. Astfel: 10

11 - Clădirile noi vor trebui să respecte cerinţele de bază privind performanţa energetică adaptate climatului local. - Ţinând seama de faptul că aplicarea sistemelor de alimentare cu energie alternativă nu este, în general, explorată la maxim, va trebui să se analizeze fezabilitatea tehnică, economică şi de mediu a sistemelor de alimentare cu energie alternativă. - În ultimii ani, numărul sistemelor de condiţionare a aerului din ţările din sudul Europei a crescut. Acest lucru creează probleme importante in perioadele de vârf, crescând costul electricităţii şi destabilizând echilibrul energetic din acele ţări. Vor trebui dezvoltate în continuare tehnicile de răcire pasivă pentru a îmbunătăţii condiţiile climatice din locuinţe. - Controlul consumului de energie la nivelul ţărilor europene este un instrument important care îi dă Comisiei Europene posibilitatea dea influenţa piaţa mondială a energiei şi siguranţa alimentării cu energie pe termen lung şi mediu. Pentru a putea atinge obiectivele propuse, statele membre ale Uniunii Europene s-au organizat în grupe de lucru cu sarcini precise. Se fac întâlniri periodice în care sunt discutate rezultatele obţinute, la care România a participat cu regularitate începând din decembrie Ca urmare a acestor întâlniri, a fost elaborată Metodologia de calcul al performanţei energetice a clădirilor MC001. I.2. Obiectivul lucrării Obiectivul principal al lucrării îl reprezintă o analiză aprofundată a metodelor de evaluare a consumului de energie în clădiri. Lucrarea îşi propune pe de-o parte să analizeze bazele teoretice ale acestor metode, cu scopul de a aproxima cât mai aproape de realitate necesarul de energie pentru răcirea clădirilor. În cadrul acestei analize s-au utilizat metode de calcul legiferate ale consumului de energie, şi anume metoda lunară şi metode orare. Prima metodă este metoda de calcul lunară, metodă reglementară cuprinsă în Metodologia de calcul naţională MC001, "Metodologia de calcul al performantei energetice a cladirilor". Cea de-a doua metodă este metoda de calcul orară simplificată, simulată cu programul CoDyBa. Cea de-a treia metodă este metoda de calcul orară avansată, simulată cu programul Trnsys. 11

12 Pe de altă parte, teza de faţă are ca scop să evidenţieze, prin studii de caz, probleme mai puţin cunoscute şi studiate care influenţează consumul de energie, cum ar fi densitatea de ocupare a spaţiilor, debitele de aer proaspăt şi stragia de ventilare. Studiile de caz studiate au fost astfel alese încât să se pună în evidenţă aceste influenţe. Pentru a evidenţia diferitele aspecte luate în calcul de fiecare dintre metodele de evaluare a energiei necesare răcirii, s-au variat pe rând anumiţi parametri reprezentativi de intrare, cum ar fi temperatura de introducere a aerului proaspăt şi numărul de ocupanţi. S-a făcut o comparaţie între aceste situaţii pentru a putea vedea în ce măsură aceşti parametri influenţează consumul de energie. Se pot astfel găsi soluţii în cunoştinţă de cauză pentru a reduce aproximările inerente unei metode cu pas mare de timp. O serie de lucrări au arătat în ce măsură creşte incertitudinea valorilor obţinute prin metode cu pas de o lună sau de un sezon, dar din punct de vedere practic, aceste metode sunt cele preferate de aplicanţi datorită simplităţii şi rapidităţii de calcul. Atât calculul lunar cât şi cel orar s-au făcut pentru climatizarea unei zone dintr-o clădiri de birouri (clădire monozonă), pentru perioada sezonului de răcire, în condiţiile de asigurare a temperaturii interioare de confort de 25 C. Metodele utilizate pentru calculul energiei necesare răcirii clădirii se aplică pentru clădiri climatizate fără controlul umidităţii interioare. Necesarul de răcire se calculează pentru întreaga perioada de răcire determinată, în cazul metodei lunare însumând valorile obţinute pentru fiecare lună. În cazul metodelor orare, programul CoDyBa şi programul Trnsys însumează valorile obţinute oră de oră, indicând la final consumul total de energie. I.3. Descrierea clădirii şi a elementelor de anvelopă În acest subcapitol sunt definiţi termenii care intră în calculele de la capitolele 2, 3 şi 4, cu relaţiile lor de calcul şi semnificaţia lor, din punct de vedere teoretic, fără valori numerice. Anvelopa unei clădiri este alcătuită dintr-o serie de suprafeţe prin care are loc transfer termic. Definirea geometriei clădirii cu elementele de construcţie componente este esenţială înaintea începerii unui calcul de consum de energie, atât prin metode clasice cât şi cu programe de simulare. Elemente componente ale anvelopei clădirii se pot clasifica după cum urmează, conform [68]: 12

13 - clasificare în raport cu poziţia în cadrul sistemului clădire: elemente exterioare în contact direct cu aerul exterior (ex: pereţilor exteriori, inclusiv suprafaţa adiacentă rosturilor deschise); elemente interioare care delimiteazǎ spaţiile încǎlzite de spaţii adiacente neîncǎlzite sau mai puţin încǎlzite (ex: pereţii şi planşeele care separă volumul clădirii de spaţii adiacente neîncălzite sau mult mai puţin încălzite, precum şi de spaţiul rosturilor închise); elemente în contact cu solul; - clasificare în funcţie de tipul elementelor de construcţie: opace (ex: partea opacă a pereţilor exteriori, inclusiv suprafaţa adiacentă rosturilor); elemente vitrate elemente al căror factor de transmisie luminoasă este egal sau mai mare de 0,05 (de exemplu: componentele transparente şi translucide ale pereţilor exteriori şi acoperişurilor - ferestre, tâmplăria exterioară, pereţii vitraţi şi luminatoarele); - clasificare în funcţie de poziţia elementelor de construcţie în cadrul anvelopei clǎdirii: verticale elemente de construcţie care fac un unghi cu planul orizontal mai mare de 60 grade (ex: pereţilor exteriori); orizontale elemente de construcţie care fac un unghi cu planul orizontal mai mic de 60 grade (de exemplu planşeele de peste ultimul nivel, de sub poduri, planşeele de peste pivniţe şi subsoluri neîncălzite, planşeele care delimitează clădirea la partea inferioară, faţă de mediul exterior - bowindouri, ganguri de trecere ş.a). Aria anvelopei clădirii - A - reprezentând suma tuturor ariilor elementelor de construcţie perimetrale ale clădirii, prin care are loc transfer termic, se calculează cu relaţia: A = ΣA j [m 2 ] (1.1) în care : A j ariile elementelor de construcţie care intră în alcătuirea anvelopei clădirii; Aria anvelopei se calculează doar pentru suprafeţele interioare ale elementelor de construcţie perimetrale, ignorând existenţa elementelor de construcţie interioare (pereţii interiori şi planşeele intermediare). 13

14 Rezistenţă termică unidirecţională (R) se calculează pentru fiecare element de construcţie (perete exterior, terasă etc), însumând rezistenţele termice aferente fiecărui strat din care este compus elemetul respectiv. R R si d j R j R se R si ( ) R se (1.2) j R si, R se - rezistenţă la transfer termic superficial (interior /exterior) [m 2. K/W] Rj rezistenţa fiecărui strat din care este compus elemetul respectiv [m 2. K/W] d - grosimea fiecărui stratului din elementul de construcţie considerat [m] -conductivitatea termică a materialului din care e alcătuit stratul respectiv [W/(mK)] Rezistenţele la transfer termic superficial (R si şi R se ) se consideră în calcule în funcţie de direcţia şi sensul fluxului termic; R si =1/h i şi R se =1/h e : Direcţia şi sensul fluxului termic Elemente de construcţie în contact cu: exteriorul pasaje deschise (ganguri) Elemente de construcţie în contact cu spaţii ventilate neîncălzite: subsoluri şi pivniţe poduri balcoane şi logii închise rosturi închise alte încăperi neîncălzite h i /R si h e /R se h i /R si h e /R se i e, u 8 *) 0, , , ,084 e, u i 8 *) 0, , , ,084 i e, u 6 *) 0, , , ,084 *) Pentru condiţii de vară : h e = 12 W/(m 2 K), R se = 0,084 m 2 K/W Tabelul 1.1: Coeficienţi de transfer termic superficial h i şi h e [W/(m 2 K)] şi rezistenţe termice superficiale R si şi R se [m 2 K/W] 14

15 Inversul rezistenţei termice reprezintă transmitanţa termică U (coeficientul unidirecţional de transmisie termică prin suprafaţă) şi se determină cu relaţia : 1 U [W/(m 2 K)] (1.3) R Din punct de vedere termic, acesta reprezintă fluxul termic în regim staţionar, raportat la suprafaţa şi la diferenţa de temperatură dintre temperaturile mediilor situate de o parte şi de alta a unui sistem. În calculul consumului de energie se foloseşte o rezistenţă termică corectată (R ), care pe lângă rezistenţa unidirecţională definită mai sus, ia în calcul şi influenţa punţilor termice. Puntea termică reprezintă porţiune din anvelopa unei clădiri, în care valoarea fluxului termic este sensibil modificată ca urmare a faptului că izotermele nu sunt paralele cu suprafeţele elementelor de construcţie. Modificarea fluxului termic se datorează : - alăturarea de materiale cu o conductivitate termică diferită în anvelopa clădirii şi/sau - schimbarea în grosimea structurii şi/sau - diferenţa între suprafeţele interioare şi exterioare, cum există la intersecţiile între perete/ pardoseala/ tavan. Lungimile punţilor termice liniare (l) se măsoară în funcţie de lungimile lor reale, existente în cadrul ariilor A; în consecinţă ele sunt delimitate la extremităţi de conturul suprafeţelor respective. Punţile termice sunt definite prin doi parametrii: (transmitanţă termică liniară) şi (transmitanţă termică punctuală). Aceştia sunt termeni de corecţie care introduc influenţa liniară, respectiv punctuală a unei punţi termice în calculul coeficientului de cuplaj termic L, necesar pentru calculul transferului de căldură prin transmisie. Punţile termice liniare care trebuie în mod obligatoriu să fie luate în considerare la determinarea parametrilor l şi sunt, în principal, următoarele: intersecţia dintre pereţii exteriori şi planşeul de terasă (în zona aticului sau a cornişei); intersecţia dintre pereţii exteriori şi planşeul de pod (în zona streşinii); intersecţia dintre pereţii exteriori şi planşeul peste subsolul neîncălzit (în zona soclului); intersecţia dintre pereţii exteriori şi placa pe sol (în zona soclului); 15

16 colţurile verticale (ieşinde şi intrânde) formate la intersecţia dintre doi pereţi exteriori ortogonali; punţile termice verticale de la intersecţia pereţilor exteriori cu pereţii interiori structurali (de ex. stâlpişori din beton armat monolit protejaţi sau neprotejaţi, pereţii din beton armat adiacenţi logiilor, ş.a); intersecţia pereţilor exteriori cu planşeele intermediare (în zona centurilor şi a consolelor din beton armat monolit, ş.a.); plăcile continue din beton armat care traversează pereţii exteriori la balcoane şi logii; conturul tâmplăriei exterioare (la buiandrugi, solbancuri şi glafuri verticale). Transmitanţa termică corectată/coeficientul corectat de transmisie termică prin suprafaţă U' se calculează cu relaţia generală : ' 1 1 l U [W/(m 2 K)] (1.4) ' R R A A în care : R rezistenţa termică totală, unidirecţională, aferentă ariei A; l lungimea punţilor liniare de acelaşi fel, din cadrul suprafeţei A. I.4. Condiţiile de confort şi calitatea aerului Deşi se urmăreşte calculul necesarului de energie, condiţiile de confort trebuie păstrate, acestea fiind detaliate în continuare. Confortul termic este senzaţia de bună stare fizică rezultată din faptul că schimbul de căldură dintre corpul uman şi mediul înconjurător se realizează fără suprasolicitarea sistemului termoregulator. Pentru a se asigura confortului termic al ocupanţilor din încăperi, aerul interior trebuie să aibă anumite caracteristici, în special temperatură, umiditate, prescrise în funcţie de destinaţia încăperii. În acelaşi timp trebuie asigurată calitatea aerului interior, aceasta caracterizând conţinutul de poluanţi din încăpere. Poluanţii nu trebuie să depăşeste concentraţiile sau dozele admise (asimilate de persoane în perioada de ocupare), asigurând astfel igiena şi sănătatea persoanelor. Normele româneşti [89] clasifică categoriile de clădiri în clasele din tabelul

17 Categorie Descriere IDA 1 IDA 2 IDA 3 IDA 4 Calitate ridicată a aerului interior Calitate medie a aerului interior Calitate moderată a aerului interior Calitate scăzută a aerului interior Tabelul 1.2: Clasificare de bază a calităţii aerului interior (IDA) Pentru a menţine calitatea aerului interior într-una dintre aceste patru categorii, este necesar introducerea de aer proaspăt prin ventilare pentru a dilua concentraţia de poluanţi din zona considerată. Standardul [89] prevede concentraţiile maxime de dioxid de carbon pentru fiecare din cele patru clase de calitate a aerului. Climatizarea are drept scop realizarea unei ambianţe interioare care să răspundă condiţiilor de confort termic. Pentru caracterizarea ambianţei interioare se stabilesc patru categorii I IV [90]: Categoria ambianţei I II III IV Caracteristici şi domeniu de aplicare recomandat Nivel ridicat recomandat pentru spaţiile ocupate de persoane foarte sensibile şi fragile, care au exigenţe specifice, ca de exemplu bolnavi, persoane cu handicap, copii mici, persoane în vârstă Nivel normal recomandat clădirilor noi sau renovate Nivel moderat acceptabil, recomandat în clădiri existente Nivel în afara celor de mai sus; recomandat a fi acceptat pentru perioade limitate de timp Tabelul 1.3: Categorii de ambianţă interioară Din punct de vedere al calităţii aerului interior, clasele I IV corespund claselor IDA1 IDA4 definite mai sus. Confortul termic este determinat de următorii parametri: - temperatura aerului interior, - temperatura medie de radiaţie a suprafeţelor cu care corpul uman schimbă căldură prin radiaţie, 17

18 - umiditatea relativă a aerului, - viteza aerului interior, - izolarea termică a îmbrăcăminţii, - activitatea ocupanţilor care determină căldura degajată (metabolismul). Temperatura interioară este parametrul esenţial de care depinde confortul termic. Plajele de valori acceptabile pentru temperatura interioară de calcul sunt date în tabelul de mai jos, conform [89], în funcţie de tipul de clădire şi de ceilalţi parametrii care influenţează confortul termic- îmbracamintea şi activitatea ocupanţilor: Tipul de clădire sau încăpere Categoria Temperatura de calcul a aerului [ o C] Temperatura pentru Temperatura încălzire; pentru răcire*; Îmbrăcăminte 1,0 Îmbrăcăminte 0,5 clo clo I 21,0 25,0 23,5 25,5 II 20,0-25,0 23,0 26,0 Clădiri de locuit (camere de zi, dormitoare) activitate sedentară 1,2 met III 18,0 25,0 22,0 27,0 Clădiri de locuit (alte încăperi) stând în picioare, mers 1,5 met Birouri individuale sau tip peisaj, săli de reuniune, cofetării, cafenele, restaurante, săli de clasă activitate sedentară 1,2 met Creşe, grădiniţe stând în picioare, mers 1,4 met I 18,0 25,0 II 16,0 25,0 III 14,0 25,0 I 21,0 23,0 23,5 25,5 II 20,0 24,0 23,0 26,0 III 19,0 25,0 22,0 27,0 I 19,0 21,0 22,5 24,5 II 17,5 22,5 21,5 25,5 III 16,5 23,5 21,0 26,0 Magazine mari I 17,5 20,5 22,0 24,0 stând în picioare, mers 1,6 met II 16,0 22,0 21,0 25,0 III 15,0 23,0 20,0 26,0 * Pentru răcire, temperatura aerului se va alege din plaja de valori din tabel, astfel încât diferenţa dintre temperatura exterioară şi cea interioară de calcul să nu depăşească 10 o C ; în cazul în care valorile maxime indicate în tabel sunt mai mici, se aleg valorile din tabel. Tabelul 1.4: Temperatura interioară de calcul pentru climatizare de confort Pentru a asigura temperatura dorită, spaţiul respectiv trebuie climatizat. Climatizarea este procesul prin care în interiorul încăperilor se asigură o temperatură controlată a aerului, indiferent de procesele termice din interiorul sau din exteriorul clădirii. Climatizarea presupune 18

19 încălzirea şi răcirea controlată a spaţiilor. Prin climatizare se urmăreşte realizarea confortului termic al ocupanţilor din încăperi. Confortul termic depinde şi de umiditatea aerului interior, care poate fi controlată prin climatizare, dar nu este neapărat necesar. Conform [89], controlul umidităţii se realizează numai în clădiri în care tipul activităţii necesită acest fapt (exemplu: muzee, laboratoare speciale, anumite săli din spitale, hale cu diferite procese tehnologice), sau la cererea scrisă a beneficiarului, deoarece necesită un consum de energie suplimentar. Pentru clădirile care nu necesită controlul umidităţii, instalaţia de climatizare se dimensionează pentru o umiditate de 50% [89]. Utilizând domeniul tipic de temperatură a aerului pentru o zonă încălzită sau ventilată/ climatizată, adică de la 20 la 27 C, evaporarea apei de la suprafata a pielii este nesemnificativă cantitativ, jucând un rol minor în determinarea echilibrului dintre om şi mediul termic. Din acest motiv, umiditatea relativă poate varia între 30 şi 70% păstrând o stare acceptabilă de confort termic în condiţiile de temperatură descrise. Limita inferioară (30%) trebuie respectată pentru a preveni uscarea ochilor, dar, de asemenea, pentru a împiedica circulaţia de praf şi de alţi poluanţi în aerul de interior. În acest scop, în clădiri ventilate echipate cu un sistem centralizat de distribuţie şi de tratare a aerului (CTA) este prevăzut un compartiment pentru umidificarea aerului de afară înainte de a fi introdus în cameră. Limita superioară de umiditate (70% sau mai puţin, în funcţie de temperatura din interior) trebuie să fie respectate pentru a evita trei probleme posibile: - apariţia condensului pe faţada interioară a elementelor de construcţie exterioare slab izolate (ferestre, pereţi) în timpul iernii; - senzaţie de sufocare, care poate apărea la o umiditate relativă prea mare în rapor cu temperatura din interior (în funcţie de diagrama Molier care defineşte relaţia între temperatură şi umiditate) ; - dezvoltarea ciupercilor în aerul de interior şi degradarea materialelor de construcţie. Viteza aerului într-o încăpere influenţează confortul termic prin pierderile de căldură prin convecţie între o persoană şi mediul ambient, putând provoca un inconfort termic local datorat curentului de aer. Viteza medie a aerului este recomandată în tabelul de mai jos ([37], [90]), 19

20 pentru a asigura limitele confortului termic. Aceasta este dată în funcţie de un indice de curent DR (draught rate indicele persoanelor deranjate de senzaţia de curent) cuprins între 10 şi 20% şi o intensitate a turbulenţei de 40% (pentru un sistem de ventilare tip amestec). Temperatura locală a aerului T a ( o C) Domeniu tipic Valoare prin lipsă (DR=15%) T a = 20 de la 0,1 la 0,16 v 0,13 T a = 21 de la 0,1 la 0,17 v 0,14 T a = 22 de la 0,11 la 0,18 v 0,15 T a = 24 de la 0,13 la 0,21 v 0,17 T a = 26 de la 0,15 la 0,25 v 0,20 Tabelul 1.5: Valori recomandate pentru viteza aerului din încăperi Dacă factorii care influenţează confortul termic prezentaţi anterior sunt legaţi de ambianţă, următorii doi factori sunt legaţi de ocupanţi: activitatea acestora (metabolismul) şi îmbrăcămintea. Metabolismul se referă la productia de căldură în interiorul corpului uman care îi permite acestuia să-şi păstreze temperatură internă în jurul valorii de 36,7 o C. Dacă o persoană este în miscare, un metabolism de lucru corespunzănd activitaţii sale particulare se adaugă la metabolismul de bază al corpului în repaus. Unitatea de masură pentru metabolism este met 1 met = 58,2 W/m² Îmbracamintea reprezintă o rezistentă termică pentru schimburile de caldură între suprafaţa pielii şi mediu, păstrând căldura la interior. Unitatea de masură pentru îmbracaminte este clo 1 clo = 0,155 m² C/W. Parametru Domeniul uzual de încadrare Valori pentru proiectare Îmbrăcăminte Vara: Iarna : 0,5-0,7 clo 0,8-1,0 clo Vara: 0,5 clo Iarna: 1,0 clo Activitate De la 1,0 până la 1,4 met 1,2 met Tabelul 1.6: Ipoteze de proiectare pentru îmbrăcăminte şi activitate pentru o clădire de birouri (conform [37]) 20

21 I.5. Necesarul de energie la nivelul clădirii În vederea evaluării consumului de căldură este necesară o analiză la nivelul clădirii, pentru a vedea parametrii de care depinde necesarul de răcire, prezentat pe scurt în continuare. Schimbul de căldură între clădire şi mediul înconjurător se poate realiza transfer prin transmisie (Q T ) sau prin ventilare (Q v ). Căldura totală pătrunsă în încăpere (aporturi) provine de la sursele de căldură exterioare (solare) şi interioare (degajări de căldură de la oameni, iluminat şi aparatură electronică). Bilanţul de căldură la nivelul clădirii este figurat în diagrama de mai jos: Q surse CLADIRE Qs Qint Q T Q Q v Fig.1.1.: Diagrama energetică pentru clădire, cazul în care există pierderi de căldură ale încăperii prin transfer de căldură prin anvelopă şi prin ventilare Notaţii: Q surse căldura totală pătrunsă în încăpere, provenită de la sursele de căldură, exterioare şi interioare, în situaţia răcirii încăperilor; Q S căldura provenită de la soare, Q int căldura degajată de sursele interioare; Q T căldura totală schimbată de clădire cu exteriorul prin transmisie Q V căldura totală schimbată de clădire cu exteriorul prin ventilare Q energia necesară pentru răcirea clădirii; 21

22 În cazul în care aerul este introdus în încăpere cu temperatura interioară de calcul, căldura pierdută prin ventilare este nulă, iar aerul introdus este tratat separat intr-o centrală de tratare a aerului (CTA). În acest caz, diagrama energetică este: Q surse Qs Qint CLADIRE Q T Q Fig.1.2.: Diagrama energetică pentru clădire, cazul în care există numai pierderi de căldură prin transfer de căldură prin anvelopă I.5.1. Transferul de căldură Prin transmisie a) Transmisia căldurii prin elemente de construcţie opace Analiza termică pentru un perete opac constă în a determina fluxul de căldură care pătrunde la interior la un moment dat, cunoscând atât parametrii climatici exteriori (temperatura exterioară, gradul de însorire, deci intensitatea radiaţiei solare), cât şi parametrii care definesc peretele din punct de vedere geometric şi termofizic. În figura 1.3. sunt schematizate diferitele tipuri de transfer de căldură care intervin în bilanţul termic: 22

23 Flux primit Фt Te Flux reflectat (1-α)Фt ) Flux convectiv he(te-t 1 ) Flux absorbit αфt T 1 T 2 Flux convectiv hi(t 2 -Ti) Ti Fig.1.3.: Reprezentarea diferitelor moduri de transfer de căldură pentru un perete opac omogen Conform condiţiilor la limită (condiţia lui Fourier) densitatea de flux variază liniar cu diferenţa de temperatură între suprafaţa corpului şi mediul fluid care inconjoară suprafaţa. Bilanţul energetic: căldura care trece prin conducţie este egală cu suma căldurii care trece prin convecţie şi cea care trece prin radiaţie Qcd Scrisă sub forma densităţilor de flux:. [44] (1.5) Qcv Qr Φ (1.6) cd = Φcv + Φ r Densitatea de flux conductiv se scrie cu legea lui Fourier pentru dt conducţie: cd - (1.7) dx S cv = h cv Densitatea de flux convectiv se scrie cu legea lui Newton pentru convecţie: ( T - T ) Φ, (1.8) s f unde h cv coeficient de schimb superficial prin convecţie T s temperatura solidului considerat (T 1 sau T 2 ) T f temperatura fluidului care înconjoară solidul (în cazul de faţă aerul exterior T e / interior T i ) 4 4 Densitatea de flux radiativ: at - T (1.9) r s unde a factor ce depinde de proprietăţile de radiaţie ale suprafeţelor considerate (emisivitate şi absorbtivitate) şi de geometria suprafeţelor (factor de formă) p 23

24 T s temperatura suprafeţei (solidului) considerate T p temperatura suprafeţei (peretelui) învecinate Prin linearizarea relaţiei, Ts şi Tp fiind învecinate, se ajunge la aproximarea: Φ = at 3 r p ( T - T ) = h ( T - T ) 4 (1.10) s p r s p În cazul Astfel legea de transfer termic între corp şi mediul său înconjurător devine: dt λ hcv dn S T T h T T h h T T ht T (1.11) s f unde h coeficient de schimb superficial global (convecţie+radiaţie) T m temperatura medie între T f şi T p, r s p Tm cv r s hcvtf hrtp hcv hr m (1.12) s m Suprafaţa peretelui expusă la exterior este supusă radiaţiei solare, figurată prin fluxul Фt. O parte din acest flux este absorbit de perete (αфt), iar restul este reflectat cu un raport (1-α)Фt. Suprafaţa exterioară a peretelui schimbă căldură prin convecţie cu mediul exterior : he(te-t 1 ). Coeficientul he se numeşte coeficient de transfer termic superficial la exterior şi ţine cont şi de convecţia şi de radiaţia peretelui pe lungime mare de undă. Suprafaţa interioară a peretelui schimbă cu aerul interior un flux prin convecţie: hi(t 2 -T i ). Coeficientul hi se numeşte coeficient de transfer termic superficial la interior şi ţine cont şi de convecţia şi de radiaţia peretelui. Echilibru termic al peretelui : dt - pentru peretele exterior: t h e (Te T1 ) (1.13) dx x0 - pentru peretele interior: h i (T 2 dt - T i ) - (1.14) dx x1 b) Transmisia căldurii prin elemente de construcţie vitrate Bilanţul termic al fluxurilor de căldură la nivelul elementelor vitrate (în general ferestrele) este schematizat în figura de mai jos: 24

25 Te Flux primit Ф 1 Flux reflectat Ф 2 Flux transmis Ф 4 Ti Flux convectiv he(te-t 1 ) Flux absorbit Ф 3 Flux convectiv hi(t 2 -Ti) T 1 T 2 Fig.1.4.: Reprezentarea diferitelor moduri de transfer de căldură petru un perete vitrat (fereastră) Prin ventilare Pentru a asigura calitatea aerului interior, aerul dintr-o încăpere trebuie împrospătat, prin introducerea de aer proaspăt prin ventilare. Aportul de aer prospăt se poate face fie direct prin fiecare încăpere, fie la nivelul unui grup de climatizare. Calculul debitului de aer ţine cont de destinaţia încăperii, de gradul de poluare precizat prin categoria de ambianţă, de numărul de persoane şi de suprafaţa încăperii [89] unde: N pers numărul de persoane; Categoria de ambianţă Vv Npers *qp A * q (1.15) B q p debitul de aer proaspăt pentru o persoană, [l/s/pers sau m 3 /h/pers]; A aria suprafeţei pardoselii [m 2 ]; q B debitul de aer proaspăt, pentru 1 m 2 de suprafaţă, [l/s/m 2 sau m 3 /h/m 2 ]. Procentul aşteptat de Debit pentru o nemulţumiţi [%] persoană [l/s/pers] I II III IV >30 <4 <15 Debit pentru o persoană [m 3 /h/pers] Tabelul 1.7. Debitul de aer proaspăt pentru o persoană, în mediu în care nu se fumează ([89]) 25

26 Categoria de ambianţă Debit pe m 2 de suprafaţă [l/(s.m 2 )] Debit pe m 2 de suprafaţă [m 3 /(h.m 2 )] clădiri foarte puţin poluante clădiri puţin poluante Altele clădiri foarte puţin poluante clădiri puţin poluante Altele I 0,5 1 2,0 1,8 3,6 7,2 II 0,35 0,7 1,4 1,26 2,52 5,0 III 0,3 0,4 0,8 1,1 1,44 2,9 IV mai mari decât valorile pentru categoria III Tabelul 1.8. Debitul de aer proaspăt pentru 1 m 2 de suprafaţă, ([89]) În zonele de fumători, debitele de aer proaspăt se dublează faţă de valorile din tabel. Aceste debite asigură condiţii de confort pentru ocupanţi, nu şi condiţii de sănătate. Aerul exterior poate pătrunde în încăpere necontrolat, prin infiltraţii, adăugându-se la pierderile de căldură prin transmisie. Aceste infiltraţii se realizează în special prin ferestre şi prin uşi. Ele depind de clasa de expunere a unei clădiri, de permeabilitatea şi de suprafaţa ferestrei sau uşii. Pentru a diminua infiltraţiile în raport cu aerul proaspăt, camera pentru care se urmăreşte acest lucru poate fi pusa în suprapresiune.acest sistem se poate utiliza dacă uşile şi ferestrele corespunzătoare camerei nu sunt deschise prea des. Suprapresiunea se realizează doar dacă debitul de aer pătruns prin infiltraţii este mai mic decât aportul absolut de aer proaspăt pătruns prin ventilare mecanică (debitul absolut înseamnă aerul introdus minus aerul extras). I.5.2. Aporturile interioare de căldură Aporturi solare Aporturile de căldură solare depind de radiaţia solară la nivelul oraşului unde se află clădirea, de orientarea suprafeţelor receptoare, de coeficienţii de transmisie ai acestora, de absorbţia şi reflexia radiaţiei solare şi caracteristica de transfer. Radiaţia solară este radiaţia electromagnetică emisă de Soare având lungimi de undă din întregul spectru al undelor electromagnetice. Trecând prin atmosfera Pământului, o parte a radiaţiei solare este absorbită, încălzind aerul, o altă parte este împrăştiată de moleculele aerului, 26

27 vaporii de apă, pulberile din atmosferă (constituind radiaţia solară difuză- Φd), dar cea mai mare parte ajunge pe suprafaţa Pamântului (constituind radiaţia solară directă- Φ D ). [44] Fig Radiaţia solară (directă şi difuză) ajunsă pe suprafaţa pământului [44] Din punct de vedere al cantităţii şi tipului de energie transmise, radiaţia solară care ajunge pe Pământ este compusă din: 3% ultraviolete, 42% radiaţie vizibilă (lumina) si 55% infraroşii. [103] Fiecareia din aceste trei părţi ale radiatiei îi corespunde câte un spectru definit prin urmatoarele intervale de lungimi de undă: - radiaţia ultravioletă de la 0,28 la 0,38 microni, - radiaţia vizibilă de la 0,38 la 0,78 microni, - radiaţia infraroşie de la 0,78 la 2,5 microni Fig Intensitatea spectrală a radiaţiei solare globale, funcţie de lungimea de undă [100] 27

28 Radiaţia directă Radiaţia directă captată de un perete depinde de poziţia soarelui şi de orientarea peretelui. Poziţia soarelui este definită prin două unghiuri: - înălţimea H, care este unghiul făcut de o rază de soare cu planul tangent la suprafaţa solului - azimutul A, care este unghiul format de proiecţia razei de soare pe planul tangent la suprafaţa solului cu direcţia Sud Fig Înălţimea (H) şi azimutul (A) soarelui [44] Radiaţia difuză Pentru a putea determina fluxul difuz, este necesar utilizarea datelor meteorologice, deoarece acest tip de radiaţie nu se poate determina prin calcul. Dacă cerul este senin, radiaţia difuză reprezintă 10 20% din radiaţia globală. În schimb, dacă cerul este acoperit, radiaţia difuză reprezintă toată radiaţia globală. [44] Fluxul total receptat de un perete este egal cu suma fluxurilor directe şi difuze. Bilanţul energetic al radiaţiei termice Fiecare corp este capabil să emită energie de radiaţie, şi să o reflecte, să o absoarbă sau să o transmită (fig.1.8) conform bilanţului energetic : Q Q Q Q (1.6) i R A T unde Qi - energia de radiaţie incidenţă pe suprafaţa corpului Q R energia reflectată Q A energia absorbită 28

29 Q T energia transmisă Fig.1.8. Bilanţul energiei de radiaţie ([20]) Definim trei coeficienţi : Q Q R coeficientul de reflexie Q i A coeficientul de absorbţie Q Q Q i i T coeficientul de transmisie Astfel, relaţia bilanţului energetic devine : 1 Pentru majoritatea corpurilor solide τ =0 şi 1. Acestea sunt corpuri gri, reale, opace, care nu permit radiaţiei incidente să treacă. incidentă. incidente. Dacă ρ=α =0 şi τ=1 corpul este denumit transparent, lăsând să treacă toată radiaţia Gazele au ρ=0, deci α + τ =1. Corpurile care au ρ = τ =0 şi α =1 se numesc corpuri negre şi absorb integral radiaţiile La polul opus se află corpurile pentru care α = τ =0 şi ρ=1. Acestea se numesc corpuri albe, care formează o oglindă, suprafaţa sa reflectând toate radiaţiile incidente. Ariile de captare efectivă a radiatei solare Pentru a ţine cont de aria şi caracteristicile suprafeţei de captare a radiaţiei solare, ca efect al umbrei, se introduce o mărime numită aria de captare efectivă. Ariile de captare a radiaţiei solare se determină pentru toate tipurile de elemente perimetrale ale unei clădiri, care captează 29

30 radiaţia solară (suprafeţe vitrate exterioare, elemente opace exterioare, pereţi şi planşee interioare din spaţii tip seră, precum şi pereţi aflaţi în spatele unor elemente de acoperire sau izolaţii transparente). Caracteristicile de captare ale acestor suprafeţe depind de climatul local şi de factori dependenţi de perioada de calcul, cum ar fi poziţia soarelui sau raportul dintre radiaţia directă şi difuză. În consecinţă, trebuie alese valori medii adecvate scopului urmărit (încălzire, răcire sau verificarea confortului termic de vară). Factor de reducere a aporturilor solare datorită umbririi prin elemente exterioare Acest factor reprezintă reducerea fluxului de căldură solar pătruns în încăperea climatizată datorită prezenţei unor elemente de umbrire permanente cum ar fi: - clădiri învecinate; - forme de relief învecinate (dealuri, copaci etc); - elemente de construcţie exterioare ale clădirii (cornişe, aticuri, balcoane etc.); - retragerea ferestrei faţă de planul exterior al peretelui Radiaţia solară directă este singura componentă redusă de obstacolele ce produc umbra; radiaţia difuză şi cea reflectată de sol rămân neschimbate. Aceasta este echivalent cu un obstacol care, prin reflexie, produce aceeaşi radiaţie ca cea obstrucţionată. [69] Aporturi interne Sursele de căldură interioare, inclusiv cele cu contribuţii negative la bilanţul termic, constau din orice tip de căldură degajată la interiorul spaţiului condiţionat, (altele decât căldura introdusă controlat pentru încălzirea şi răcirea acestui spaţiu sau cea utilizată pentru prepararea apei calde de consum). Aceste surse includ căldura metabolică emisă de ocupanţi, căldura emisă de aparatele electrice, de corpurile de iluminat, de maşini, utilaje şi de către alte surse, în funcţie de destinaţia spaţiului respectiv (procese tehnologice, prepararea hranei). 30

31 I.6. Consumul de energie în clădiri Principalii factori care influenţează consumul de energie sunt: a) Timpul de ocupare a clădirii - variază de la o clădire la alta, în funcţie de destinaţia acesteia. Numărul de ore de activitate zilnic influenţează destul de mult consumul de energie. Timpul de ocupare se referă atât la programul de funcţionare al personalului aflat în clădire, cât şi al echipamentelor de birotică, iluminat, aparate de încalzire şi ventilare. Cât timp personalul este în activitate, în clădire trebuie asigurate condiţiile de confort, dar odată cu părăsirea clădirii se impune reducerea consumului de energie prin oprirea parţială a unor instalaţii (iluminat, încalzire, ventilare). b) Gradul de ocupare a clădirii - reprezintă un factor important in bilanţul energetic, deoarece cu cât ocuparea pe m 2 este mai redusă, cu atât consumul de energie este mai mic şi invers. Statisticile au arătat ca, la fiecare variaţie cu 10% în gradul de ocupare a spaţiului, rezultă o variaţie cu 3% a consumului unitar anual de energie pentru clădirile neclimatizate si cu 4% pentru clădirile climatizate. [40] c) Destinaţia clădirii - influenţează consumul de energie, având în vedere că mărirea consumurilor unitare depinde de gradul de utilare (echipare) a clădirii, precum şi de numărul de ore de utilizare a echipamentelor; factorul de corecţie poate fi luat intre 4-5% pentru fiecare variaţie cu 10% a suprafeţei ocupate. d) Condiţiile meteorologice sunt reprezentate prin temperatura exterioară, umiditate, intensitatea radiaţiei solare. Consumul de energie pentru încălzire, ventilare, climatizare, depinde de condiţiile climatice din zona în care se află clădirea, precum şi de temperatura interioară de calcul a clădirii respective. Analizarea consumurilor de energie se poate face prin metode directe sau inverse. În abordarea directă (fig. 1.9) previziunile de consumuri energetice sunt bazate pe o descriere fizică a sistemelor clădirii, incluzând geometria, amplasarea, detaliile constructive şi tipul de instalaţii de încalzire, ventilare şi climatizare utilizate. Cele mai multe metode fac parte din categoria modelelor directe. 31

32 Fig. 1.9: Reprezentarea unui model direct de analiză energetică În abordarea inversă (fig. 1.10), modelele de analiza energetică incearcă să determine parametrii reprezentativi ai clădirii (coeficientul global de transfer de căldura, sarcina termică în regim nominal sau constanta de timp a clădirii) folosind consumurile energetice, date legate de climat sau alte date de performanţă relevante. În general, modelele inverse sunt mai simple şi deci mai flexibile decât modelele directe. Totuşi, flexibilitatea modelelor inverse este de obicei limitată de formularea parametrilor reprezentativi ai clădirii şi de acurateţea datelor de performanţă ale acesteia. Pentru a identifica parametrii clădirii, cele mai multe dintre metodele inverse existente au la baza metode de analiza de regresie (metoda grade-zile cu temperatura de referinţă/bază variabilă) sau abordări bazate pe conexiuni. Fig. 1.10: Reprezentarea unui model invers de analiză energetică Metodele de analiză energetică pot fi clasificate şi după capacitatea lor de a surprinde comportarea dinamică a sistemelor energetice. În acest mod, ele pot folosi abordări staţionare sau 32

33 dinamice. În general, modelele staţionare sunt suficiente pentru a analiza performanţele sezoniere sau anuale ale clădirilor. În schimb, modelele dinamice sunt necesare pentru estimarea efectelor tranzitorii ale sistemelor de energie, precum cele întâlnite la sistemele de stocare a energiei termice şi la dispozitivele de control optim al pornirilor. Modelele directe sunt în general bazate pe descrierea fizică a sistemului energetic al clădirii. Aceste modele permit determinarea consumurilor finale de energie, precum şi estimarea oricărei economii de energie survenită în urma aplicării masurilor de conservare a energiei. În continuare se descriu câteva din metodele de analiză energetică directă existente. Metodele directe staţionare sunt în general uşor de folosit, iar majoritatea calculelor pot fi executate manual sau cu foi electronice de calcul. Metodele dinamice folosesc modele analitice şi numerice pentru a calcula transferul de energie dintre diferitele sisteme ale clădirii. În general, aceste modele constau din produse informatice (cu paşi de timp orari sau mai mici) ce estimează corespunzător efectul inerţiei termice datorat stocării energiei în pereţii clădirii şi/sau în sistemul de încalzire. Proprietatea importantă a acestor modele de simulare este capacitatea lor de a ţine seama de mai mulţi parametrii în estimarea corectă a consumului de energie, în special la clădiri cu inerţie termică pronunţată, cu reduceri nocturne ale sarcinii. O organigramă tipică de programe de simulare este prezentată in fig

34 Fig Schema unui model de clădire Programele informatice necesită un grad de experienţă ridicat şi sunt de regulă potrivite pentru clădiri mari cu sisteme de încălzire şi ventilare complexe şi cu strategii de automatizare dificil de modelat cu ajutorul instrumentelor simplificate. În general, un program de simulare necesită o descriere fizică detaliată a clădirii (geometrie, detalii constructive ale anvelopei, tipul instalaţiilor de încalzire şi ventilare, orarul de funcţionare). Calculul sarcinii termice este bazat pe o paletă largă de algoritmi în funcţie de complexitatea şi flexibilitatea programului de simulare, de viteza de calcul şi bineînţeles de obiectivele studiului. I.7. Datele climatice Din punct de vedere termic, o clădire este supusă pe de-o parte la exterior de factori meteorologici, pe de altă parte, la interior de degajări de căldură şi umiditate. Ca urmare a interacţiunii dintre clădire şi mediul exterior, calculul necesarului de energie pentru încălzire şi 34

35 răcire, fiind un calcul predictiv, necesită cunoaşterea datelor climatice ale locului în care este amplasată clădirea, obţinute prin prelucrarea statistică a datelor meteorologice. Pentru utilizare în aplicaţiile de consumuri energetice anuale pentru încălzirea şi răcirea clădirilor, este necesar a avea un an climatic «standard». Anul meteorologic standard (tip) a fost construit pentru toate capitalele de judeţ din România, astfel încât valorile medii, distribuţia frecvenţelor şi corelaţiile dintre diversele caracteristici meteorologice să se păstreze cât mai bine. Datele meteorologice înregistrate timp de 10 ani ( ) au fost prelucrate de către Agenţia Naţională de Meteorologie şi Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti. Metoda folosită pentru construcţia anului tip este standardizată în [56], mai exact în normele [57]. Această metodologie presupune derularea a două etape de construcţie a anului de referinţă: a) alegerea celei mai bune luni; b) ajustarea valorilor orare din lunile consecutive astfel încât trecerea de la o lună la alta să conserve corelaţia dintre variabile considerate. Anul standard este compus din luni tipice, alese din datele meteorologice înregistrate (completate prin interpolare când a fost necesar). Alegerea unei luni tipice privitoare la un parametru climatic p (temperatură, umiditate relativă şi radiaţie solară) s-a realizat astfel: 1) S-au calculat mediile zilnice pentru parametrul p, pe baza datelor orare, măsurate în fiecare lună L şi pentru fiecare an A din cei 10 ani, 2) S-a construit funcţia cumulativă empirică de probabilitate F LAp a mediilor zilnice ale parametrului climatic p considerat, calculate pentru luna L", pentru fiecare an în parte: F LAp t nr.de valori medii t, masuratepentru pin luna Ldin anula 1 nr.total de valori medii masuratepentru p in luna Ldin anul A 3) s-a construit funcţia cumulativă de probabilitate F Lp a mediilor zilnice ale parametrului climatic pe baza mediilor zilnice ale lunii respective din toţi anii utilizaţi în calcul. F Lp t nr.de valori medii t, masuratepentru p in luna Ldin toti anii considerati 1 nr.totalde valori medii masuratepentru p in luna Ldin toti anii considerati 4) Pentru fiecare luna L considerată, s-a determinat statistica Finkelstein-Schafer LAp F Lp FS F,, ca distanţă dintre F LAp şi F Lp definită prin (1.16): FS F LAp,F Lp FLAp (t i ) FLp t i i (1.16) n 35

36 unde: n - numărul de termeni din suma de la numărător; t i - puncte, câte unul pe fiecare interval, pe care funcţia FLAp (t) FLp t este constantă, FLAp (t) FLp t fiind o funcţie constantă pe porţiuni. 5) Pentru fiecare parametru climatic pentru luna calendaristică L se aranjează anii A în ordine crescătoare a valorii FS F, LAp F Lp. În principiu se alege ca lună tipică luna din acel an A pentru care distanţa Finkelstein-Schafer este minimă. Acest lucru exprimă faptul că din punct de vedere al statisticii parametrului climatic considerat, informaţiile furnizate de datele din luna aleasă din anul A se apropie cel mai mult de informaţiile date de măsurătorile din toţi anii de observaţie pentru luna respectivă. În cazul în care se construieşte un an tipic din punctul de vedere al mai multor parametri climatici, trebuie ţinut seama de fiecare parametru p. În metoda folosită în [57], pentru fiecare parametru climatic p pentru luna calendaristică L se aranjează anii A în ordine crescătoare a valorii F, D LA r LAp p FS. LAp F Lp Se defineşte r LAp rangulanului A in sirulcrescatordemaisus şi se calculează distanţa (1.17) Dacă se utilizează metoda prevăzută în [65], distanţa D LA se defineşte: d LA = p w p FS ( F, F ) LAp Lp (1.18) Unde w p reprezintă valorile asociate fiecărui parametru, funcţie de importanţa acordată acelui parametru (ponderea). În principiu, luna de referinţă pentru luna calendaristică L se ia luna din anul pentru care D LA este minimă. Însă standardul mai prevede ca să se ţină seama în secundar de o altă caracteristică meteorologică, viteza vântului, în felul următor: a) Pentru fiecare lună calendaristică L se iau lunile din primii trei ani din şirul de ani ordonat crescător după D LA b) Pentru fiecare lună L din cele 3 luni se calculează modulele diferenţelor dintre viteza medie a vântului pentru luna L din anul respectiv şi viteza medie calculată pentru luna L pe ansamblul tuturor anilor. Ca lună L tipică se alege luna din aceşti 3 ani pentru care diferenţa este cea mai mică. 36

37 După alegerea unei luni tipice pentru fiecare lună calendaristică, deoarece s-ar putea ca lunile tipice să fie din ani diferiţi şi deci la frontiera dintre ele ar putea să apară discontinuităţi mari între valorile parametrilor climatici consideraţi, se trece la etapa a doua, care constă în netezirea tranziţiei (prin tehnici de lisare), utilizând ultimile 8 ore din prima lună şi primele 8 ore din luna următoare. Anul de referinţă a fost astfel construit pentru cele 43 locaţii ale staţiilor meteorologice judeţene (incluzând şi cele două staţii ale municipiului Bucureşti), pentru următorii parametri meteorologici: temperatura aerului [ o C]; umiditatea relativă [%] ; temperatura punctului de rouă [ o C]; conţinutul de umiditate [g/kg]; viteza vântului [m/s]. Pentru staţiile meteorologice Bucureşti-Afumaţi, Constanţa, Galaţi, Iaşi, Cluj-Napoca, Craiova şi Timişoara anul de referinţă a fost construit şi pentru radiaţia directă şi difuză [cal/cm 2 ]. In toate situaţiile, viteza vântului a fost considerată ca variabilă secundară, iar celelalte variabile au fost considerate principale. Deşi există baza de date cu parametrii climatici şi pentru Bucureşti, totuşi aceasta nu conţine date suficiente referitoare la radiaţia solară pentru a putea fi folosită în calculul consumului de energie. Aşa cum s-a descris mai sus, anul tipic este structurat pe calupuri de date furnizate pentru fiecare lună. Astfel, dacă una dintre aceste date lipseşte (şi anume radiaţia solară), nu se pot folosi nici celelalte date meteorologice incluse în anul de referinţă, deoarece ar conduce la erori semnificative să considerăm valoarea radiaţiei furnizată de altă bază de date iar restul parametrilor să fie luaţi din baza de date a anului tipic meteorologic. De aceea, datele climatice utilizate în lucrarea de faţă (temperatura exterioară şi intensitatea radiaţiei solare) au fost determinate prin medierea valorilor orare furnizate de baza de date METEONORM a programului de simulare Trnsys, pentru fişierul meteo Bucureşti. Astfel, temperatura exterioară medie lunară pentru Bucureşti pentru lunile cu o posibilă climatizare este dată în tabelul urmator: θe 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 Tabel 1.9 : Temperaturi medii exterioare 37

38 climatizare: Intensitatile radiaţiei solare medii lunare pentru Bucureşti pentru lunile cu o posibilă Luna N S E V Oriz. Februarie 27,4 104,54 52,45 55,4 81,93 Martie 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 Tabel 1.10 : Intensităţile medii ale radiaţiei solare În cadrul programul de simulare Trnsys valorile temperaturii exterioare şi ale radiaţiei solare sunt furnizate oră de oră prin intermediul subrutinei Type109-TMY2-Weather, subrutină ce conţine fişierul meteo realizat cu ajutorul programului Meteonorm şi care are rolul de a citi şi procesa datele din fişierul meteo introdus. Pe lângă interesul direct de utilizare a datelor climatice în simulările pentru studiile de caz prezentate în capitolele 2 şi 3, analiza modului în care trebuie prelucrate datele climatice pune în evidenţă particularităţile metodei statistice utilizate, în concordanţă cu aplicaţiile care au un caracter de prognoză (în cazul de faţă a consumurilor de energie din clădiri) 38

39 I.8. Sistemul de răcire Pentru a evalua consumul de energie pentru instalaţia de climatizare se calculează mai întâi un necesar de răcire pentru clădirea sau zona de clădire considerată, prin metoda lunară sau metode orare. Consumul de energie din sistemul de climatizare, în cazul în care se ia în considerare numai căldura sensibilă, se determină cuplând metodele de calcul ale necesarului de energie pentru răcirea clădirii, cu metodele de calcul al consumului de energie din sistem. Energia consumată de sistemele de climatizare (răcire) se poate calcula printr-o metodă simplificată, pe baza randamentului global al sistemului, sau printr-o altă metodă mai complexă, pe baza puterilor calculate în condiţii nominale de calcul şi considerând un timp de funcţionare echivalent al sistemului. 1) Evalarea energiei consumate pe baza randamentului global al sistemului de climatizare. Energia consumată se determină cu relaţia: QR R,sist = ηsist,r Q (1.19) unde: Q R,sist - energia consumată în sistemul de răcire, care include pierderile de energie ale sistemului, [MJ]; Q R - energia necesară pentru răcire a clădirii sau zonei, [MJ], ηsist,r - eficienţa globală a sistemului de răcire, care include pierderile de energie la generarea, transportul, acumularea, distribuţia şi emisia de agent termic (aer şi apă) din sistem. Această eficienţă nu ţine cont de: - energia electrică auxiliară introdusă în sistemul de climatizare, Q aux, - de coeficientul de performanţă al sursei frigorifice. De aceea, energia electrică totală consumată în sistemul de climatizare (răcire), Qel. tot, va fi: QR,sistF Qel,tot Qaux [MJ] (1.20) COP în care: COP - coeficientul mediu de performanţă al maşinii frigorifice, indicat de producător. Qaux energia electrică auxiliară utilizată de pompe, ventilatoare, servomotoare etc; 39

40 Deoarece există foarte puţine date fiabile referitoare la eficienţa globală a sistemelor şi ţinând seama de diversitatea soluţiilor tehnice, este recomandat ca pierderile şi recuperările de energie să fie evaluate pe componente. 2) Evalarea energiei consumate pe baza puterilor calculate în condiţii de calcul şi considerând un timp de funcţionare echivalent al sistemului. În acest caz se evaluează separat: - pierderile de energie din sistem, Qpierd, - consumul de energie electrică pentru transportul aerului în instalaţiile de ventilare/climatizare, Qta, - consumul de energie electrică pentru transportul agentului primar (apă caldă sau apă răcită) ce alimentează componentele instalaţiei de climatizare (Centrala de Tratare a Aerului şi aparatele locale de tratare a aerului), Qtapă, - energia electrică auxiliară utilizată de pompe, ventilatoare, servomotoare etc, Qaux, - energia recuperată în sistem, Qrec, - consumul de energie electrică pentru producerea frigului, la nivelul sursei de frig. Atunci, energia consumată în sistemul de răcire Q R,sistF se calculează pe bază de bilanţ: QR,sistF QR Qpierd Qta Qtapa Qrec (1.21) unde: QR - energia necesară pentru răcire a clădirii sau zonei După evaluarea energiei pierdute sau recuperate în sistem, se calculează energia electrică totală consumată în sistemul de climatizare (răcire), Q el,tot QR,sistF Qel,tot Qaux [MJ] (1.22) COP 40

41 Capitolul 2 CALCULUL CONSUMULUI DE ENERGIE PENTRU CLIMATIZAREA CLĂDIRILOR PRIN CALCUL LUNAR II.1. Descrierea generală a metodei de calcul Metoda de calcul lunară se aplică pentru clădirile rezidenţiale sau nerezidenţiale sau părţi ale acestora, climatizate, fără controlul umidităţii interioare. Se consideră numai căldura sensibilă, nu şi cea latentă. Metoda are ca obiectiv calculul energiei necesare răcirii clădirilor pentru asigurarea unei temperaturi interioare prescrise precum şi al energiei consumate de sistemul de climatizare pentru realizarea acestui scop. Principalele date de intrare necesare pentru efectuarea calculelor sunt: - caracteristicile elementelor de anvelopă şi ale sistemelor de ventilare; - sursele interne de căldură şi umiditate, - climatul exterior; - descrierea clădirii şi a elementelor sale, a sistemelor de răcire şi scenariului lor de utilizare; - date privind sistemele de răcire şi ventilare: partiţionarea clădirii în zone de calcul determinate de parametrii de confort diferţi şi/sau scenarii de funcţionare diferite; pierderi de energie la sursele de răcire sau pe traseul de distribuţie al agentului termic până la consumatori şi eventuale recuperări ale acestei energii prin utilizarea recuperării căldurii, surselor regenerabile sau degajărilor interioare; debitul de aer şi temperatura aerului refulat (introdus) pe cale mecanică (fiind în prealabil preîncălzit sau/şi prerăcit); 41

42 elementele de comandă şi control utilizate pentru menţinerea parametrilor de confort la valorile prescrise, de proiectare. Principalele date de ieşire (rezultate) ale metodei de calcul sunt: - necesarul de energie lunar şi anual pentru răcirea clădirilor ; - consumul de energie lunar şi anual pentru răcirea clădirilor ; - durata sezonului de răcire; - consumul de energie auxiliar pentru răcire şi ventilare. Principalele date de ieşire aditionale sunt: - valori lunare pentru principalele elemente ce intervin în bilanţurile de energie: transmisie, ventilare, surse interne, aporturi solare; - contribuţia surselor de energie regenerabile; - pierderile din sistem şi eventualele recuperări ale acestora. Perioada de calcul utilizată de metoda prezentată este de o luna. Pentru fiecare lună de calcul, necesarul de energie pentru răcire este calculat cu relaţia: Q R Q surse ηq Tr (2.1) Transferul total de căldură intre clădire şi exterior este: Q Tr Q T Q V (2.2) Căldura totală datorată surselor interioare este Q surse : Q surse Q Q (2.3) int S Necesarul de energie pentru răcire cuprinde următoarele etapele de calcul : -calculul transferului de căldură prin transmisie -calculul transferului de căldură ventilaţie -calculul aporturilor solare -calculul aporturilor de căldură ale surselor interne -calculul parametrilor dinamici -calculul necesarului total de energie pentru răcire În continuare vor fi prezentate relaţiile de calcul aferente acestei metode cu valori numerice pentru clădirea de birouri folosită în studiile de caz, clădire prezentată la subcapitolul II.2. Ipoteze de calcul. 42

43 II.1.1. Transferul de căldură Prin transmisie Calculul coeficienţilor de transfer prin transmisie Transferul de căldură prin transmisie cuprinde transferul unidirecţional prin suprafeţe şi transferul datorat punţilor termice. H T = L+Ls+Hu (2.4) L - coeficientul de cuplaj termic prin anvelopa clădirii, în [W/K]; L U * A * l (2.5) j j k k Elementul de construcţie Rj Uj = 1/Rj Aj Uj * Aj Σψ j * l j L [ - ] [ m²k/w] [ W/m²K ] [ m² ] [ W/K ] [ w/m²k ] [ W/K ] Perete exterior Ferestre Terasă Tabel 2.1.: Calculul coeficientului de cuplaj termic prin anvelopa clădirii Ls - coeficientul de cuplaj termic prin sol, în [W/K]; Elementul de construcţie Rj Uj = 1/Rj Aj Uj * Aj Σψ j * l j Ls [ - ] [ m²k/w] [ W/m²K ] [ m² ] [ W/K ] [ w/m²k ] [ W/K ] Placă pe sol Tabel 2.2.: Calculul coeficientului de cuplaj termic prin sol Hu - coeficientul de pierderi termice prin spaţii neîncălzite, în [W/K]; Hu = 0 Element de constructie Influenţa punţilor termice este introdusă în expresia coeficientului L şi Ls. [14] Detaliu Tabel normativ C107/3 ψ l ψ*l [-] [-] [-] [W/mK] [m] W/m2K Perete exterior (PE) Intersectie pereti cu termoizolatie fara stalpisor σ=40 cm Colt pereti cu termoizolatie fara stalpisor σ=40 cm Tamplarie dublu (glaf lateral) σ=36,5 cm, a=10 cm

44 Terasă (TE) Placă pe sol (pl-s) Solbanc-tamplarie dubla, σ = 40 cm,pe 53 cu termoizolatie (a=9cm) Buiandrug-tamplarie dubla, σ = cm,pe cu termoizolatie (h=10cm) Total Intersectie terasa cu pereti interiori Intersectie terasa cu pereti exteriori Total Intersectie placa pe sol cu pereti interiori Intersectie placa pe sol cu pereti exteriori 3.1- C107/ C107/ Tabel 2.3.: Coeficienţi care intră în calculul punţilor termice Total Valorile coeficienţilor de transfer H T sunt calculaţi în funcţie de tipul fiecărui element de construcţie. H PE coeficient de transfer termic prin transmisie pentru peretele exterior ; H PE = 199,91 W/K H FE coeficient de transfer termic prin transmisie pentru fereastră ; H FE = 55,6 W/K H TE coeficient de transfer termic prin transmisie pentru terasă ; H TE = 72,76 W/K H pl-sol coeficient de transfer termic prin transmisie pentru placă pe sol ; H pl-sol = 112,44 W/K H T coeficient total de transfer termic prin transmisie; H T = 440,72 W/K Calculul fluxului disipat prin transmisie Fluxul total de căldură cedat prin transmisie este calculat pentru fiecare lună cu relaţia : T n [ H T,k *( i - e, k )] k1 Energia disipată prin transmisie: Q T (2.6) * t (2.7) T 44

45 H T,k coeficientul de transfer de căldură prin transmisie a elementului k către zona de temperatură θ e,k ; θ i - temperatura interioară a clădirii sau a zonei considerate; θ e,k - temperatura spaţiului exterior elementului k ; t durata de calcul. Sezonul de răcire H T [W/K] θi [ C] θe [ C] Ф T [W] Martie Aprilie Mai Iunie Iulie August Septembrie Octombrie Noiembrie Tabel 2.4.: Calculul fluxului disipat prin transmisie Fluxul disipat prin transmisie, respectiv energia, rămân aceleaşi pentru fiecare caz studiat, deoarece în calculul acestora nu se regăsesc nici temperatura de introducere, nici numărul de ocupanţi, aceştia fiind parametrii care variază pe parcursul studiilor. Prin ventilare Calculul coeficienţilor de transfer prin ventilare H (2.8) V = ρa * ca * Vv unde: ρ a c a - capacitatea calorică a aerului refulat poate fi considerată cu valoarea de 1200 J/m 3 K Vv debitul de aer proaspăt Debitul de aer proaspăt s-a calculat pentru categoria de ambianţă II - nivel normal recomandat clădirilor 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 în capitolul 1. Sistemul de ventilare al clădirii este de tipul numai aer, considerandu-se un debit de aer proaspat de 25 m 3 /h/pers pentru fiecare ocupant, în mediu în care nu se fumează, si respectiv un debit specific de aer proaspat de 2,52 m 3 /(h*m 2 ) pentru clădirile puţin poluate (conform [89]). 45

46 Vv Npers *qp A * q (2.9) B unde: N pers numărul de persoane; q p debitul de aer proaspăt pentru o persoană, [l/s/pers sau m 3 /h/pers]; A aria suprafeţei pardoselii [m 2 ], A=675,21 m 2 ; q B debitul de aer proaspăt, pentru 1 m 2 de suprafaţă, [l/s/m 2 sau m 3 /h/m 2 ]; Calculul fluxului disipat prin ventilare Fluxul pierdut-primit de către clădire prin ventilare este calculată cu relaţia : n V [ H v,k *( i - intr, k )] (2.10) k 1 Energia disipată prin ventilare: Q V * t (2.11) V unde: Q V - energia totală transferată către zona z, prin ventilare; H V,k - coeficientul de transfer prin ventilare datorat aerului refulat în zona z, prin elementul k; θ i - temperatura interioară a clădirii sau a zonei considerate; θ intr,k - temperatura spaţiului exterior elementului k,; t - durata de calcul. În cazul în care debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura interioară, diferenţa de temperaturi este nulă şi astfel şi energia disipată prin ventilare este nulă. II.1.2. Aporturile interioare de căldură Aporturile solare Calculul aporturilor solare rămâne acelaşi pentru toate cazurile studiate, deoarece acestea nu sunt influenţate nici de temperatura de introducere a aerului, nici de gradul de ocupare al clădirii. 46

47 Aria de captare efectivă a radiaţiei solare pentru elemente vitrate Aceasta arie se calculează cu relaţia: A S,F u 1 Ft * A F F * * (2.12) Orientare A F τ n F τ F u F t τ A S,F [-] [m 2 ] [-] [-] [-] [-] [-] [m 2 ] S Tabel 2.5.: Calculul ariei de captare efectivă a radiaţiei solare pentru elemente vitrate Aria de captare efectivă a radiaţiei solare pentru elemente opace Aria de captare efectivă a unui element opac de anvelopa (perete, terasă) se calculează cu formula: A * R * U * A (2.13) s,p p p,se Valorile numerice ale acestor coeficienţi sunt: p = 0,7 pentru perete exterior (tencuială ciment) şi 0,91 pentru terasă (pietriş); R p,se = 0,083 m 2 K/W (pentru situaţia de vară h re =12) ; U p = 0,59 W/m 2 K pentru perete exterior şi U p = 0,32 W/m 2 K pentru terasă. p p Orientare Element A P U α P R p,se A S,P [-] [-] [m 2 ] [w/m 2 k] [-] [m 2 K/W] [m 2 ] S Perete exterior E Perete exterior Oriz Terasă Tabel 2.6.: Calculul ariei de captare efectivă a radiaţiei solare pentru elemente opace Radiatia termică înspre cer Fluxul de căldura unitar transferat prin radiaţie către bolta cerească se scrie sub forma: (2.14) cer R p * U p * A p * h r,e * ecer h r,e coeficient de transfer de căldură prin radiaţie la exterior, [W/m 2 K] ; ecer - diferenţa medie de temperatură dintre aerul exterior şi temperatura aparentă a bolţii cereşti, [ºC]; Coeficientul de transfer de căldură prin radiaţie la exterior h r,e se aproximează cu relaţia : h re 5 W/m².K 47

48 S-a considerat emisivitatea =1, şi astfel a rezultat h re =5 W/m².K Pentru România, când temperatura boltei cereşti nu este disponibila în datele climatice, se ia o valoare a diferenţei medii de temperatura, ecer, de 11 ºC. Orientare Element R p,se A P U h re Δθe-cer Фcer [-] [-] [m 2 K/W] [m 2 ] [w/m 2 k] [w/m 2 k] [K] [W] S PE S FE E PE Oriz TE Tabel 2.7.: Pierderea de căldură prin radiaţie către bolta cerească Calculul efectiv al aporturilor solare Orientare Element constructie lungime (m) inaltime/ latime (m) Nr. elemente Suprafata (m²) Suprafata corectata (m²) Rezistenta (m 2 K/W) As,p (m²) As,fe (m²) Фcer (W) Fu Fsu Ff Sud Perete exterior Fereastra Est Perete exterior Oriz Terasa martie aprilie mai iunie iulie Is (W/m²) Фs (W) Is (W/m²) Фs (W) Is (W/m²) Фs (W) Is (W/m²) Фs (W) Is (W/m²) Фs (W) Σ Σ Σ Σ Σ

49 august septembrie octombrie noiembrie Is (W/m²) Фs (W) Is (W/m²) Фs (W) Is (W/m²) Фs (W) Is (W/m²) Фs (W) Σ Σ Σ Σ Tabel 2.8.: Calculul fluxul de căldură datorat aporturilor solare pentru fiecare lună Aporturile interne Fluxul de căldură datorat surselor interne: (2.15) int oc ap,e il Fiecare flux de căldură s-a calculat ţinând seama de programul de funcţionare, şi anume 8 ore/zi pentru persoane şi aparatură electronică şi 4 ore/zi ăentru iluminat, 5 zile/săptămână. Căldura degajată de ocupanti s-a calculat considerând o degajare de 75 W/persoană, (deoarece metodologia MC001 utilizează doar căldura sensibilă): 8 5 Φoc = N pers * 75 W / pers * * (2.16) 24 7 Căldura degajată de aparatura electronică s-a calculat considerând o degajare de 100 W/aparat: 8 5 Φap,e = Nap, e * 100 W / pers * * (2.17) 24 7 Căldura degajată de iluminat s-a calculat considerând o degajare de 10 W/mp, aria totală a clădirii A totală =6755 m 2 : Φil = A totala * 10W / m * * = W (2.18) 24 7 Aceste valori ale căldurilor degajate de către oameni, electronice şi iluminat sunt valori reglementare, date de stansardul [37]. 49

50 II.1.3. Perioada de racire Durata sezonului de răcire se determină considerând momentul de început şi de sfârşit al perioadei de răcire atunci când necesarul de frig depăşeşte 1 W/m 2. Această durată va fi luată în considerare şi pentru calculul energiei auziliare consumată în sisteme. [70] O metodă simplă pentru stabilirea perioadei de răcire este metoda grafică: se reprezintă grafic variaţia temperaturii medii lunare (pe ordonată), pentru diferite luni ale perioadei calde şi de tranziţie (pe abscisă). Pe baza bilanţului energetic la nivelul clădirii se calculează temperatura de echilibru θem care reprezintă valoarea temperaturii exterioare la care aporturile de căldură de la sursele interioare şi exterioare (soare) sunt egale cu pierderile prin transfer (prin transmisie Q T şi aer de ventilare Q V ), calculate pentru temperatura interioară de calcul pentru climatizare. Apoi se intersectează curba temperaturii exterioare cu curba temperaturilor de echilibru θem şi se determină perioada de răcire care corespunde unei temperaturi θe > θem. Se citeşte pe abscisă numărul de zile din lunile în care se începe şi se termină răcirea. Reprezentarea se face la scară, considerând că temperatura medie a fiecărei luni corespunde datei de 15 a lunii. Fig.2.1. Determinarea perioadei de răcire prin metoda grafică Temperatura exterioară medie zilnică θem se calculează cu relaţia: * ( int s ) em i HT HV (2.19) 50

51 unde: η factor de utilizare a pierderilor de caldura, calculat pentru λ = 1 Pentru metoda de calcul lunară, durata sezonului de răcire se determină prin numărarea zilelor pentru care energia necesară pentru răcire este mai mare ca zero. II.1.4. Situaţia răcirii intermitente Energia necesară pentru răcire în cazul răcirii intermitente se calculează cu relaţia: Q (2.20) int erm = a int ermq R unde: Q interm energia necesară pentru răcire ţinând cont de efectul intermitenţei, [MJ]; Q R energia necesară pentru răcire, presupunând că pentru toate zilele lunii controlul şi setarea termostatului de ambianţă corespunde unei situaţii de răcire în regim continuu, [MJ]; a interm factor adimensional de corecţie pentru răcirea intermitentă, determinat cu relaţia: Unde: f N a τ 0R int erm 1 bint erm λr 1 f τ N (2.21) R - factor reprezentând raportul dintre numărul de zile din săptămână cu răcire normală şi numărul de zile dintr-o săptămână (ex. 5/7) ; b interm - factor de corelaţie empiric cu valoare constantă b R,interm =3 ; R - constanta de timp pentru răcire, [ore]; 0R - constanta de timp de referinţă pentru răcire, [ore]; λ R răcire. - raportul dintre aporturile şi pierderile de căldură ale clădirii (zonei) în modul de Pentru calculul termenului a,interm se considera valoarea lui λ R pentru regim continuu deoarece, în general, este posibil ca valoarea lui Q,tot,interm să fie nulă. 51

52 Calculul factorului de utilizare a pierderilor de căldură Efectul inerţiei termice a clădirii în cazul răcirii intermitente sau a opririi sistemului de răcire va fi luat în calcul prin introducerea unei ajustări a temperaturii interioare sau a unei corecţii aplicate necesarului de frig calculat pentru cazul răcirii continue a clădirii. Folosirea unui factor de utilizare a căldurii transferate prin transmisie şi prin ventilare permite luarea în considerare a faptului că numai o parte din această căldură diminuează necesarul de frig. Factorul de utilizare al pierderilor de căldură η este funcţie de raportul dintre pierderile şi aporturile de căldură λ R şi de un parametru numeric conform următoarelor relaţii: unde: η - dacă λ R >0 şi λ R 1 deci - dacă λ R =1 deci αr λr (αr 1) R R ce depinde de inerţia termică a clădirii, 1 η ; (2.22) 1 λ αr η ; (2.23) α 1 R - dacă λ R < 0 deci η 1. (2.24) - factorul de utilizare al pierderilor de căldură; λ R - raportul intre pierderi şi aporturi de căldura ; Q surse λr (2.25) QTr R Q surse, aporturile de căldura totale în cazul răcirii; Q Tr, energia totală transferată intre clădire şi exterior ; - parametru numeric adimensional care depinde de constanta de timp a clădirii în cazul răcirii, τ R, calculat cu relaţia: Unde: R R 0R 0R 0R - parametru numeric de referinţă ; R (2.26) - constanta de timp pentru răcirea clădirii ; 0R - constanta de timp de referinţă pentru răcire; 52

53 II.2. Ipoteze de calcul II.2.1. Ipoteze legate de clădire Calculului energetic se aplică pentru o zonă dintr-o clădire de birouri din Bucureşti, cu trei nivele (P+2), suprafaţa construită 225 m 2, având lungimea de 31,7 m, lăţimea de 7,1 m şi înălţimea de nivel de 3,3 m. Conturul clădirii este delimitat de doi pereţi exteriori (unul orientat spre sud, cu lungimea de 31,7 m şi unul orientat spre est, cu lungimea de 7,1 m) şi doi pereţi interiori. Peretele exterior dinspre sud are câte 8 ferestre pe fiecare nivel, acestea având lungimea de 1,5 m şi înălţimea de 1,2 m. Zona de clădire considerată are 8 birouri pe fiecare nivel, având 66 de ocupanţi pe etaj. N V 7.1 E 31.7 S Fig.2.2.: Clădirea de birouri considerată Materialele componente pentru fiecare tip de element de construcţie utilizat sunt redate mai jos : Perete exterior - tencuială ipsos cu grosimea δ =0,02 m; - cărămidă cu grosimea δ =0,29 m; - polistiren cu grosimea δ =0,05 m; - tencuială ciment cu grosimea δ =0,02 m; Rezistenţa R= 1,83 m 2 K/W Perete interior - tencuială interioară din ciment cu grosimea δ =0,01 m; - BCA cu grosimea δ =0,3 m; - tencuială exterioară din ciment cu grosimea δ =0,01 m; 53

54 Rezistenţa R= 1,38 m 2 K/W Planşeu intermediar - parchet cu grosimea δ =0,04 m; - beton cu grosimea δ =0,24 m; - tencuială ciment cu grosimea δ =0,01 m; Rezistenţa R= 0,64 m 2 K/W Terasă - pietriş cu grosimea δ =0,04 m; - izolaţie hidrofugă cu grosimea δ =0,01 m; - şapă cu grosimea δ =0,025 m; - polistiren cu grosimea δ =0,14 m; - beton de pantă cu grosimea δ =0,1 m; - placă beton armat cu grosimea δ =0,1 m; Rezistenţa R= 3,65 m 2 K/W Placă pe sol : - parchet cu grosimea δ =0,04 m; - beton cu grosimea δ =0,2 m; - izolaţie termică cu grosimea δ =0,2 m; - şapă cu grosimea δ =0,035 m; - izolaţie hidrofugă cu grosimea δ =0,01 m; - pietris cu grosimea δ =0,04 m; - strat pământ cu grosimea δ =5 m; Rezistenţa R= 5,77 m 2 K/W Fereastră: - sticlă cu grosimea δ =0,05 m; - strat de aer cu grosimea δ =0,02 m; - sticlă cu grosimea δ =0,05 m; Rezistenţa R= 0,78 m 2 K/W 54

55 II.2.2. Programul de funcţionare Programul de lucru al angajaţilor este de la ora 9.00 pana la ora în timpul săptămânii, de luni pâna vineri. S-a considerat acelaşi program de funcţionare şi pentru aparatura electronică din birouri (PC, laptop, imprimanta, copiator). Scenariu pentru iluminat este diferit faţă de cel pentru activitatea persoanelor, iluminatul fiind disponibil de la ora 8.00 la ora şi de la la S-a considerat că programul de funcţionare pentru iluminat trebuie să înceapă înaintea programului de lucru al angajaţilor, deoarece personalul de serviciu care asigură curăţenia trebuie să vină cu o ora mai devreme decât angajaţii şi să plece mai tarziu. De asemenea s-au luat în calcul situaţiile când unii angajaţi pot să rămână peste program la birou. II.3. Studii de caz S-au analizat 4 studii de caz, în care au fost modificate pe rând temperatura de introducere a aerului proaspăt şi densitatea de ocupare a clădirii. Ipotezele de calcul au rămas aceleaşi pentru toate cazurile studiate. II.3.1. Cazul 1 de referinţă - Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura interioară de calcul anterior. Calculul energiei disipate prin transmisie şi cel al aporturilor solare rămân cele calculate Transferul de căldură prin ventilaţie Pentru 66 de persoane, debitul de aer proaspăt, calculat conform formulei (2.9), are valoarea Vv = 3351 m 3 /h, rezultând 1,5 schimburi de aer pe oră. Datorită faptului că aerul proaspăt este introdus cu temperatura interioară de calcul, coeficientul de transfer Hv şi energia disipată prin ventilare Qv sunt nule. 55

56 Aporturile de căldură ale surselor interioare 8 5 Φoc = N pers * 75 W / pers * * = W (2.27) ap,e N ap, e *100W / pers * * W (2.28) Φil = A totala * 10W / m * * = W (2.29) 24 7 Aporturile interioare totale sunt Ф int = 3553,82 W. Determinarea sezonului de răcire de echilibru: Pentru fiecare lună cu o posibilă climatizare se calculează temperatura medie exterioară * ( int s ) em i HT HV (2.30) mar. apr. mai iun. iul. aug. sept. oct. nov. θe= 4,79 11,08 16,74 19,98 22,04 21,3 16,74 10,89 5,13 θi= Фint= 3553, , , , , , , , ,82 Фs= 3496, , , , , , , , ,07 t R = 140,38 140,38 140,38 140,38 140,38 140,38 140,38 140,38 140,38 t 0R = 15,00 15,00 15,00 15,00 15,00 15,00 15,00 15,00 15,00 α 0R = 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 α R = 10,36 10,36 10,36 10,36 10,36 10,36 10,36 10,36 10,36 λ R = -0,79-1,29-2,18-3,71-6,29-5,42-2,40-1,29-0,66 η= 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 θem= 9,00 7,05 7,02 6,37 6,39 4,93 5,16 6,86 11,83 Tabel 2.9.: Calculul temperaturii medii de echilibru τ R constanta de timp pentru racirea cladirii = (Cm/3,6)/(H T +Hv) τ 0R constanta de timp de referinta pentru racire =15 ore pt birouri 0R parametru numeric de referinta = 1 pt birouri R parametru numeric = α 0R +(τ R/ τ 0R ) λ R raportul dintre aporturile si pierderile de caldura = (Qs+Qint)/(Q T +Q V ) η factor de utilizare a pierderilor de caldura, pentru λ R <1, η = 1 56

57 Sezonul de răcire se determină prin metoda grafică, intersectând curba de temperaturi medii lunare exterioare cu temperatura minimă medie exterioară de echilibru. Astfel a rezultat că perioada necesară răcirii este 1 aprilie 22 octombrie 205 zile temp.exterioara temp.echilibru 5 0 mar. apr. mai iun. iul. aug. sept. oct. nov. Fig.2.3.: Determinarea sezonului de răcire Determinarea necesarului de răcire Considerând paşii de calcul prezentaţi anterior, se calculează fluxurile necesară pentru răcire, presupunând că pentru toate zilele lunii, controlul şi setarea termostatului de ambianţă corespunde unei situaţii de răcire în regim continuu Luni cu o posibilă climatizare zile ore (h) Q T (kwh) Qv (kwh) Qint (kwh) Qs (kwh) Q TR (kwh) Q surse (kwh) η Q R,cont (kwh) Martie Aprilie Mai Iunie Iulie August Septembrie Octombrie Noiembrie Tabel 2.10.: Calculul necesarului de energie pentru răcire în regim continuu Energia totală necesară răcirii pe perioada sezonului de răcire este Q R =23893 kwh. 57

58 Variaţia lunară a fluxurilor de căldură Ф T (kw) Ф V (kw) Ф int (kw) Ф s (kw) Martie Aprilie Mai Iunie Iulie August Septembrie Octombrie Noiembrie Tabel 2.11.: Aporturile de căldură Având în vedere că aportul de căldură datorat ventilării este nul, acesta nu mai este necesar sa fie reprezentat grafic. Variatia lunara a fluxurilor de caldura Φ s [kw] 8 Φ T Фint Martie Aprilie Mai Iunie Iulie August Septembrie Octombrie Noiembrie Fig.2.4.: Variaţia aporturilor de căldură 58

59 Variatia lunara a consumului de energie Q racire [kwh] Aprilie Mai Iunie Iulie August Septembrie Octombrie Fig.2.5.: Variaţia consumului de energie pentru răcirea clădirii II.3.2. Cazul 2: Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura exterioară În acest caz, singura componentă care se modifică faţă de cazul precerdent este necesarul de răcire pentru ventilare, restul datelor de intrare rămân aceleaşi. Transferul de căldură prin ventilaţie Sezon de racire Hv (W/ C) θi ( C) θintr ( C) Ф V (W) Martie Aprilie Mai Iunie Iulie August Septembrie Octombrie Noiembrie Tabel 2.12.: Calculul fluxului disipat prin ventilare 59

60 Determinarea sezonului de răcire Pentru a calcula sezonul de răcire este necesar să se calculeze temperatura medie exterioară de echilibru θem, conform formulei (2.19): mar. apr. mai iun. iul. aug. sept. oct. nov. θe= 4,79 11,08 16,74 19,98 22,04 21,3 16,74 10,89 5,13 θi= Фint= 3553, , , , , , , , ,82 Фs= 3496, , , , , , , , ,07 τ R = 140,38 140,38 140,38 140,38 140,38 140,38 140,38 140,38 140,38 τ 0R = 15,00 15,00 15,00 15,00 15,00 15,00 15,00 15,00 15,00 α 0R = 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 α R = 10,36 10,36 10,36 10,36 10,36 10,36 10,36 10,36 10,36 λ R = -0,91-0,36-0,62-1,05-1,78-1,53-0,68-0,36-0,19 η= 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 θem= 20,47 19,92 19,91 19,73 19,74 19,32 19,39 19,87 21,27 Tabel 2.13.: Calculul temperaturii medii de echilibru temp.exterioara temp.echilibru mar. apr. mai iun. iul. aug. sept. oct. nov. Fig.2.6.: Determinarea sezonului de răcire Sezonul de răcire rezultat pe cale grafică este 15 iunie 30 august 77 zile. 60

61 Determinarea necesarului de răcire Luni cu o posibilă climatizare zile ore (h) Q T (kwh) Qv (kwh) Qint (kwh) Qs (kwh) Q TR (kwh) Q surse (kwh) η Q R,cont (kwh) Martie Aprilie Mai Iunie Iulie August Septembrie Octombrie Noiembrie Tabel 2.14.: Calculul necesarului de energie pentru răcire în regim continuu Energia totală necesară răcirii pe perioada sezonului de răcire este Q R =5038 kwh. Variaţia lunară a fluxurilor de căldură Ф T (kw) Ф V (kw) Ф int (kw) Ф s (kw) Martie Aprilie Mai Iunie Iulie August Septembrie Octombrie Noiembrie Tabel 2.15.: Aporturile de căldură 61

62 [kw] 10 Variatia lunara a fluxurilor de caldura Φ s Φ T ФV Фint Martie Aprilie Mai Iunie Iulie August Septembrie Octombrie Noiembrie Fig.2.7.: Variaţia aporturilor de căldură [kwh] Variatia lunara a consumului de energie Qracire Iunie Iulie August Fig.2.8.: Variaţia consumului de energie pentru răcirea clădirii II.3.3. Cazul 3: Variaţia numarului de ocupanţi 3a. Numarul ocupanţilor creşte Dacă se consideră 5 m 2 /persoană în loc de 10 m 2 /persoană ca în cazurile precedente, numărul ocupanţilor creşte la 135 ocupanţi/clădire, aproape dublu decât în cazurile precedente (66 de persoane). 62

63 Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura interioară, deci energia disipată prin ventilare este nulă. În acest caz, creşterea numărului de persoane influenţează doar energia provenită de la sursele interne, restul datelor rămân aceleaşi ca în cazul 1 de referinţă. Aporturile de căldură de la sursele interne se calculează însumând efectiv aporturile provenite de la ocupanţi, aparatura electronică şi iluminat, fiecare dintre aceste componente fiind calculată în funcţie de gradul de ocupare al clădirii, ca în cazurile precedente. Căldura degajată de ocupanti s-a calculat considerând o degajare de 75 W/persoană şi un număr de ocupanţi N pers =135: 8 5 Φoc = N pers * 75 W / pers * * = W (2.31) 24 7 Căldura degajată de aparatura electronică s-a calculat considerând o degajare de 100 W/aparat şi un număr de aparate N ap,e =135: 8 5 Φap,e = Nap, e * 100 W / pers * * = W (2.32) 24 7 Căldura degajată de iluminat rămâne aceeaşi: Φil = A totala * 10W / m * * = W (2.33) 24 7 Fluxul de căldură total datorat surselor interne: Φint = Φoc + Φap,e + Φil = W (2.34) Sezonul de răcire, determinat grafic cu ajutorul temperaturii medii de echilibru, este 7 martie 15 noiembrie 254 zile. Necesarul de răcire aferent este Q R =39625 kwh. 63

64 temp.exterioara temp.echilibru 5 0 feb. mar. apr. mai iun. iul. aug. sept. oct. nov. -5 Fig.2.9.: Determinarea sezonului de răcire Variaţia lunară a fluxurilor de căldură Ф T (kw) Ф V (kw) Ф int (kw) Ф s (kw) Martie -8,9 0,0 6,4 3,5 Aprilie -6,1 0,0 6,4 4,4 Mai -3,6 0,0 6,4 4,4 Iunie -2,2 0,0 6,4 4,7 Iulie -1,3 0,0 6,4 4,6 August -1,6 0,0 6,4 5,3 Septembrie -3,6 0,0 6,4 5,2 Octombrie -6,2 0,0 6,4 4,4 Noiembrie -8,8 0,0 6,4 2,3 Tabel 2.16.: Aporturile de căldură 64

65 [kw] Variatia lunara a fluxurilor de caldura Φ s Φ T Φ int 0-2 Martie Aprilie Mai Iunie Iulie August Septembrie Octombrie Noiembrie Fig.2.10.: Variaţia aporturilor de căldură Variatia lunara a consumului de energie Q racire [kwh] Martie Aprilie Mai Iunie Iulie August Septembrie Octombrie Noiembrie Fig.2.11.: Variaţia consumului de energie pentru răcirea clădirii 3b. Numarul ocupanţilor scade Dacă se consideră 15 m 2 /persoană în loc de 10 m 2 /persoană ca în cazurile precedente, numărul ocupanţilor scade la 66 ocupanţi/clădire la 45. Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura interioară, deci diferenţa de temperaturi este nulă şi astfel şi energia disipată prin ventilare este nulă. În acest caz, creşterea 65

66 numărului de persoane influenţează doar energia provenită de la sursele interne, restul datelor rămân aceleaşi ca în cazul 1 de referinţă. Căldura degajată de ocupanti s-a calculat considerând o degajare de 75 W/persoană şi un număr de ocupanţi N pers =45: 8 5 Φoc = N pers * 75 W / pers * * = W (2.35) 24 7 Căldura degajată de aparatura electronică s-a calculat considerând o degajare de 100 W/aparat şi un număr de aparate N ap,e =135: 8 5 Φap,e = Nap, e * 100 W / pers * * = W (2.36) 24 7 Căldura degajată de iluminat rămâne aceeaşi: Φil = A totala * 10W / m * * = W (2.37) 24 7 Fluxul de căldură total datorat surselor interne: Φint = Φoc + Φap,e + Φil = W (2.38) Sezonul de răcire, determinat grafic cu ajutorul temperaturii medii de echilibru, este 7 aprilie 22 octombrie 199 zile. Necesarul de răcire aferent este Q R =19458 kwh temp.exterioara temp.echilibru mar. apr. mai iun. iul. aug. sept. oct. nov. Fig.2.12.: Determinarea sezonului de răcire 66

67 Variaţia lunară a fluxurilor de căldură Ф T (kw) Ф V (kw) Ф int (kw) Ф s (kw) Martie -8,9 0,0 2,7 3,5 Aprilie -6,1 0,0 2,7 4,4 Mai -3,6 0,0 2,7 4,4 Iunie -2,2 0,0 2,7 4,7 Iulie -1,3 0,0 2,7 4,6 August -1,6 0,0 2,7 5,3 Septembrie -3,6 0,0 2,7 5,2 Octombrie -6,2 0,0 2,7 4,4 Noiembrie -8,8 0,0 2,7 2,3 Tabel 2.17.: Aporturile de căldură [kw] Variatia lunara a fluxurilor de caldura Φ s Φ T Φ int 0-2 Martie Aprilie Mai Iunie Iulie August Septembrie Octombrie Noiembrie Fig.2.13.: Variaţia aporturilor de căldură 67

68 Variatia lunara a consumului de energie Q racire [kwh] Aprilie Mai Iunie Iulie August Septembrie Octombrie Fig.2.14.: Variaţia consumului de energie pentru răcirea clădirii II.3.4. Cazul 4: Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatură variabilă Această variaţie a temperaturii de refulare a fost posibilă prin impărţirea perioadei de timp t în două intervale (t=t 1 +t 2 ), în care: t 1 - perioada de timp in care debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura exterioră (netratat), cand aceasta este mai mică de 25 C; t 2 - perioada de timp in care debitul de aer proaspăt este răcit până la valoarea temperaturii interioare de calcul, când temperatura exterioară este mai mare de 25 C; Intervalele de timp t 1 si t 2 au fost stabilite folosind ca ipoteza de calcul perioada de răcire rezultată în urma simularii Trnsys. O alternativă pentru această modalitate de stabilire a intervalelor de timp t 1 si t 2 ar fi cea a încercarilor repetate dar acest lucru ar anula simplicitatea metodei. În afara perioadei de răcire rezultate în Trnsys, acest cazul 4 este identic cu cazul 2. Pe parcursul acestei perioade însă, cazul 4 devine asemănător cu cazul 1, în care temperatura de introducere este temperatura interioară. 68

69 Calculul fluxului disipat prin ventilare Fluxul pierdut-primit de către clădire prin ventilare este calculată cu relaţia : n V [ H v,k *( i - intr, k )] k 1 Energia disipată prin ventilare: Q V (2.39) * t (2.40) V θ i - temperatura interioară a clădirii sau a zonei considerate; θ intr,k - temperatura de introducere (refulare); int r,k e - în afara perioadei de racire rezultate din simularea Trnsys ; int r,k i - în timpul perioadei de racire rezultata din simularea Trnsys (24mai 18 septembrie) ; W Coeficientului de transfer prin ventilare datorat aerului refulat H V,k K ; H - în perioada de timp t 1, in care debitul de aer proaspăt este introdus cu V = ρa * ca * Vv temperatura exterioră (în afara perioadei de răcire rezultate din simularea Trnsys) ; H V = 1117 H = V Trnsys); W K 0 - în perioada de timp t 2 (perioada 24mai 18 septembrie, rezultată din simularea Sezon de racire Hv (W/ C) θi ( C) θintr ( C) Ф V (W) Martie Aprilie Mai Mai Iunie Iulie August Septembrie Septembrie Octombrie Noiembrie Tabel 2.18.: Calculul fluxului disipat prin ventilare 69

70 Determinarea sezonului de răcire Pentru a calcula sezonul de răcire este necesar să se calculeze temperatura medie exterioară de echilibru θem, pentru lunile de tranzit, şi anume mai şi septembrie. Componenta H V intra în calcul doar pentru perioada în care int r,k e * ( ) int s em i, (1 mai-23 mai); (2.41) 23 HT HV * 31 *( ) int s em i (19 sept- 30 sept); (2.42) 18 HT HV * temp.exterioara temp. echilibru mediata 5 0 mar. apr. mai iun. iul. aug. sept. oct. nov. Fig.2.15.: Determinarea sezonului de răcire Sezonul de răcire rezultă 1 iunie - 28 septembrie 120 zile. Necesarul de răcire aferent este Q R =12044 kwh. Variaţia lunară a fluxurilor de căldură Ф T (kw) Ф V (kw) Ф int (kw) Ф s (kw) Martie Aprilie Mai Iunie Iulie August Septembrie Octombrie Noiembrie Tabel 2.19.: Aporturile de căldură 70

71 [kw] 10 Variatia lunara a fluxurilor de caldura Φ s Φ T Фint Φ v Martie Aprilie Mai Iunie Iulie August Septembrie Octombrie Noiembrie Fig.2.16.: Variaţia aporturilor de căldură Variatia lunara a consumului de energie [kwh] Q racire Iunie Iulie August Septembrie Fig.2.17.: Variaţia consumului de energie pentru răcirea clădirii 71

72 II.3.5. Comparaţie între cazuri şi concluzii Cazul studiat Date de intrare Perioada de racire Numărul de zile Necesarul de racire pentru cladire (kwh) Cazul 1 de referintă θintr=θi Npers=66 1 aprilie 22 octombrie Cazul 2 θintr=θe Npers=66 15 iunie 30 august Cazul 3a θintr=θi Npers=135 7 martie 15 noiembrie Cazul 3b θintr=θi Npers=45 7 aprilie 22 octombrie Cazul 4 θintr=var. Npers=66 1 iunie 28 septembrie Tabel 2.20.: Tabel centralizator cu diferitele cazuri studiate [kwh] Necesarul de racire pentru diferite situatii cazul 1 referinta cazul 2 cazul 3a cazul 3b cazul 4 Fig.2.18.: Energia consumată necesară răcirii pentru diferitele cazuri studiate 72

73 Din punct de vedere al temperaturii de introducere, dacă aceasta este egală cu temperatura exterioară, se remarcă o scădere substanţială a sezonului de răcire şi implicit şi a consumului de energie pentru răcire faţă de cazul de referinţă în care temperatura de introducere este temperatura interioară de calcul de 25 o C. Acest lucru se datorează faptului că în primul caz de referinţă pierderile de căldură prin ventilare sunt nule şi astfel aporturile interne de căldură sunt amplificate faţă de cazul al doilea. În cazul introducerii aerului cu temperatura interioară aporturile sunt mai mari decât pierderile de căldură, ceea ce conduce la un sezon de răcire mai mare. În cazul al doilea, când aerul proaspăt este introdus cu temperatura exterioară, se remarcă o perioadă de răcire scurtă şi o valoarea redusă a consumului de energie pentru răcirea clădirii. Acest lucru se datorează faptului că metoda lunară operează cu temperaturi medii exterioare lunare care uneori sunt mai mici decât cele interioare. Prin urmare pe perioada verii este posibil să avem pierderile de căldură prin transfer, ceea ce nu corespunde cu realitatea. Pierderile de căldură prin ventilare amplifică de fapt urmarea ipotezei asupra rezultatului metodei lunare prin faptul că introduce pierderi de căldură foarte importante, în timp ce în realitate aerul proaspăt trebuie răcit în perioada de utilizare. Ponderea cu care energia disipată prin ventilare influentează rezultatul este direct proportională cu cantitatea debitului de aer proaspăt introdus. Din cauza acestei presupuneri, calculele realizate prin metoda lunară scapă din vedere consumurile sistemului de ventilare pentru răcirea debitului de aer proaspăt deoarece se consideră că acesta este introdus cu temperatura exterioară mai mică decât temperatura interioară de calcul tot timpul, ceea ce nu corespunde cu realitatea. Cazul 4 în care temperatura de introducere este variabilă în funcţie de valoarea temperaturii exterioare este cel mai economic. Se remarcă o scădere aproape la jumătate a perioadei de răcire şi a consumului de energie faţă de primul caz. Rezultatele obtinute in acest studiu de caz se apropie mult mai mult de realitate decât cele din studiul de caz 2 deoarece nu mai sunt introduse pierderi de caldura prin transfer în lunile de vârf şi datorită faptului că se ia în considerare răcirea debitului de aer proaspăt în anumite perioade. 73

74 Din punct de vedere al variaţiei numărului de ocupanţi, dacă aporturile interne se calculează în funcţie de numărul de ocupanţi şi aparatură electronică, perioadele de răcire variază direct proporţional cu acest număr. Pentru cazul în care numărul de persoane creşte (135 persoane), sezonul de răcire creşte cu două luni, proporţional cu numărul de persoane dublat. La fel creşte şi necesarul de energie. Pentru cazul în care numărul de persoane scade (45 persoane), sezonul de răcire rămâne aproximativ acelaşi, cu o uşoară scădere a numărului de zile. Consumul de energie scade şi el. O altă variantă pentru a calcula aporturile interne este cu ajutorul unui coeficient mediu în funcţie de aria totală a clădirii, coeficient prevăzut în anexa metodologiei MC001 ca fiind 7,4 W/m 2 ce reprezintă densitatea fluxului de căldură degajat de ocupanţi şi aparatură electronică, pentru spaţii de birouri. În acest caz, aporturile interne sunt constante, ele nu ţin seama de variaţia numărul de ocupanţi: Ф int = 7,4*A totală = 4996,55 W Astfel, dacă numărul de ocupanţi variază, singura componentă care se modifică în calculul necesarului de răcire este energia necesară ventilării, prin coeficientul de transfer prin ventilare Hv care ţine cont de debitul de aer proaspăt introdus Vv. Pierderile de căldură variază proporţional cu numărul de persoane, dar aporturile interioare rămân constante, ajungându-se la situaţii neverosimile în care modificarea numărului de ocupanţi variaza in sens invers cu energia necesară pentru răcire. De aceea, pentru o concordanţă cu realitatea, calculul aporturile interne trebuie să se facă pe componente, ţinând cont de ocupanţi, aparatura electronică şi iluminat. 74

75 Capitolul 3 CALCULUL CONSUMULUI DE ENERGIE PENTRU CLIMATIZAREA CLĂDIRILOR PRIN METODE DINAMICE SIMPLIFICATE III.1. Metoda orară bazată pe analogia termo-electrică Calculul consumului de energie pentru o clădire poate fi determinat prin calcul lunar sau calcul orar, simplificat sau detaliat. Metodele orare sunt metode dinamice, cu pas de timp de o oră sau chiar mai mic. În comparaţie cu metoda lunară, cele orare permit introducerea unor scenarii de funcţionare orare referitoare la temperaturile prescrise, modul de ventilare, sursele interioare de căldură, utilizarea dispozitivelor de umbrire etc. În consecinţă, modelarea realizată este mai apropiată de fenomenele fizice şi de regimul de utilizare, de aceea rezultatele obţinute sunt mai apropiate de realitate. Metodele orare sunt în mod special de preferat celei lunare în cazul clădirilor cu inerţie termică mare, cu intermitenţă mare de funcţionare sau în alte situaţii speciale. Metoda orară care se prezintă în continuare are la bază un model analogic termo - electric şi utilizează o schemă de tip R-C (Rezistenţe - Capacităţi). Este o metodă dinamică ce modelează rezistenţele şi capacităţile termice precum şi fluxurile de căldură emise de sursele interioare. Metoda este simplificată deoarece combină rezistenţa la transfer termic şi capacitatea termică a unui strat, într-o singura pereche rezistenţă-capacitate. Analogia termo-electrică se caracterizează prin faptul că legile care guvernează cele două fenomene sunt identice. Se poate realiza o corespondenţă între marimile termice şi cele electrice: Mărimi termice Mărimi electrice Temperatură Potenţial Flux de căldură Intensitate curent electric Conductanţă termică Conductanţă electrică Capacitate termică Capacitate electrică Tabel 3.1. Corespondenţa între mărimile termice şi cele electrice pentru analogia termo-electrică 75

76 Analogia electrică are ca scop crearea unei reţele electrice pe baza ecuaţiilor ce definesc fenomenul termic. Pentru a putea aplica analogia electrică, este nevoie mai întâi de o discretizare spaţială a problemei (metoda nodală), prin metoda diferenţelor finite. Această discretizare permite transformarea ecuaţilor cu derivate parţiale aferente problemei într-un sistem de ecuaţii algebro-diferenţiale. III.1.1. Rezolvarea ecuaţiei căldurii prin metoda diferenţelor finite. Aplicarea analogiei electrice pentru un perete omogen. Se consideră un perete compus din mai multe straturi omogene, pentru care schema analogica este prezentată mai jos: Fig Schema analogica aunui perete multistrat Unde Ci capacitatea calorifică aferentă nodului i, Ci * x * cm Ri-1, i - rezistenţa termică între nodurile i-1 şi i, R x c m căldura masică a materialului (J/kgK) ρ densitatea materialului(kg/m 3 ) λ conductivitatea termică a materialului (W/mK) Δx pasul de discretizare spaţial (grosimea stratului peretelui) (m) Dacă aplicăm legea lui Kirchoff în fiecare nod, la un moment de timp k+θ dat, vom ajunge la ecuaţia: 76

77 k T k k k k Ci Ui1,i (T T ) Ui,i 1(T T ) T i1 i i1 i i Unde U=1/R - conductanţa termică (3.1) În cazul unui perete simplu, cu un singur strat, domeniile în care a fost discretizat peretele ar avea conductanţe termice egale, şi deci k T T i 1 RC k k k (T i1 2T i T i1 ) (3.2) Considerăm că trecerea căldurii se va face unidirecţional, corespunzător axei Ox, şi că nu avem surse interioare de căldură (φ v = 0), astfel ecuaţia căldurii se scrie : 2 T T a 2 x t (ecuaţia Fourier pentru transmiterea unidirecţională a căldurii) (3.3) Se alege un pas de timp Δt şi un pas de spaţiu Δx, şi ne poziţionăm la un moment intermediar k+θ. Fig.3.2. Reţea unidimensională cu diferenţe finite Folosind dezvoltarea în serie Taylor, discretizarea în spaţiu la momentul k+θ pentru planul i [44] 2 2 k k T k x T k T i 1 Ti x * ( ) i ( ) x 2 2 i (3.4) x 2 2 k k T k x T k T i 1 Ti x * ( ) i ( ) x 2 2 i (3.5) x Adunând cele două relaţii, rezultă expresia derivatei de ordin doi a temperaturii : 77

78 2 k k k k T T i 1 2T i T i1 2 2 x x i Introducem acaestă expresie în ecuaţia căldurii : 2 k k k k T T i 1 2T i T a a i1 2 2 x x i Înlocuim difuzivitatea termică cu c m (3.6) (3.7) a [m 3 /s] Aceasta reprezintă aptitudinea unui corp solid de a lăsa să treacă căldura prin conducţie sau de a difuza temperatura în interiorul lui, fiind o măsură a inerţiei termice a corpului. Ecuaţia devine: 2 T k k k k a( ) i (T i 1 2T i T i 1 ) 2 2 x cmx Expresia este echivalentă cu (3.8) T ( ) t k i c x m 2 (T k i1 2T k i T k i1 ) (3.9) Ţinând cont de formula pentru rezistenţa R şi capacitatea C, ajungem la aceeaţi expresie ca în cazul aplicării legii lui Kirchoff pentru fiecare nod, şi anume: T t k i 1 RC (T k i1 2T k i T k i1 ) (3.10) Drept urmare, aplicarea metodei nodale este echivalentă cu discretizarea spaţială prin metoda diferenţelor finite, şi conduce la o aproximare de ordinul doi a ecuaţiei căldurii. Discretizarea în timp la momentul k+θ pentru planul i se face pe acelaşi principiu ca şi discretizarea în spaţiu: k1 k T k T i T i t(1 ) *( ) t i (3.11) k k T k T i T i t * * ( ) t i (3.12) Derivata temperaturii în funcţie de timp este: 78

79 k 1 k T k T T ( ) i i t i (3.13) t Introducând cele două derivate în funcţie de spaţiu şi timp, ecuaţia căldurii devine : k k k T 2T T a i1 i i1 2 x k 1 k T i T i (3.14) t Vom exprima toate temperaturile în funcţie de cele de la momentele de timp k şi k+1 : k k T k k k 1 k k1 k T i T i t * * ( ) i T i (T i T i ) *T i (1 )T (3.15) t i Generalizând rezultatul şi pentru planurile i+1 şi i-1, avem : k k 1 k T i 1 *T i 1 (1 ) T i 1 (3.16) k k 1 k T i 1 * T i 1 (1 ) T i 1 (3.17) Introducând noile relaţii în ecuaţia căldurii stabilită mai sus, avem: k 1 k k 1 k k 1 k T (1 )T 2 T 2(1 )T T (1 )T a i1 i1 i i i1 i1 2 x k 1 k T i T i (3.18) t k 1 k a k1 k 1 k 1 a(1 ) k k k T T (T 2T T ) (T 2T T ) i i 2 i1 i i1 2 i1 i i1 (3.19) x x t at Introducând numărul lui Fourier Fo, rezultă : 2 x k 1 k 1 k 1 k k k k 1 k * Fo* (T i 1 2Ti T i 1 ) (1 ) * Fo *(T i 1 2Ti T i 1 ) Ti Ti (3.20) Există mai multe tipuri de scheme de diferenţe finite în funcţie de valoarea lui θ : 1) Schema explicită, pentru θ =0 k k FoT i1 2FoT i k k 1 k FoT i1 T i T i, deci (3.21) k1 k k k Ti (1 2Fo)Ti Fo(T i 1 T i 1 ) (3.22) În această schemă, temperatura într-un punct la un moment de timp k+δt (T k+1 ) se calculează în funcţie de temperatura la momentul de timp precedent (T k ). Se presupune că la momentul iniţial t=0 de la care se porneşte calculul, distribuţia de temperatură este dată. Astfel se 79

80 obţine temperatura locală pentru diverse noduri (puncte) i=1,2,...n în ipoteza că la fiecare moment de timp t, distribuţia de temperatură în intervalul dintre două puncte vecine este lineară. Convergenţa soluţiei este dată de alegerea corectă a lui Δt şi Δx, deci a numărului Fourier. Aceste două valori trebuiesc alese astfel încât 1-2Fo 0 pentru ca metoda să fie convergentă, deci Fo 1/2. Pentru cazul particular în care Fo=1/2, rezultă: k k k1 T T T i1 i1 i (3.23) 2 at Fo 2 x În acest caz, valoarea maximă admisibilă a perioadei de timp Δt este dată de condiţia 1 2, deci 2 1 x tadm 2 a 2) Schema implicită, pentru θ =1 k 1 k 1 k 1 k 1 k Fo *(T i 1 2Ti T i 1 ) Ti Ti (3.24) k Ti k 1 k 1 k 1 (1 2Fo)Ti Fo(T i 1 T i 1 ) sau (3.25) k k 1 k1 k1 T Fo(T T ) T i i 1 i 1 i (3.26) 1 2Fo În această schemă, temperatura într-un punct la un moment de timp k+δt (T k+1 ) nu se mai poate calcula explicit în funcţie de temperatura la momentul de timp precedent (T k ). Avantajul acestei scheme este că este mereu convergentă. Rezlovarea setului de ecuaţii pentru i=1,2,...n este mai complicat deoarece în fiecare ecuaţie există trei temperaturi necunoscute: T k+1 i, T k+1 i+1, T k+1 i-1. Toate aceste n ecuaţii pot fi rezolvate împreună, dar pentru un număr mare n, rezolvarea prin sisteme clasice este foarte dificilă şi necesită un volum mare de lucru. De aceea ecuaţia aferentă schemei implicite se poate rescrie în funcţie doar de aceste trei temperaturi necunoscute, restul coeficienţilor fiind notaţi pentru simplificare cu A, B, C şi respectiv D: k 1 k 1 k 1 k - Fo* T i 1 (2Fo 1)Ti - Fo *T i-1 Ti, adică (3.27) k1 k1 k1 - Ai * T i 1 Bi * Ti - Ci * T i-1 Di (3.28) Ţinând cont de dependinţa liniară a temperaturilor necunoscute: k+1 k+1 i = E i T i+ 1 + Fi T (3.29) 80

81 k1 k 1 T i-1 Ei-1Ti Fi 1 (3.30) unde E şi F sunt nişte coeficienţi. Introducând temperaturile scrise astfel în ecuaţia aferentă schemei implicite, se poate k+1 k+1 exprima T i în funcţie de T i+1 şi de coeficienţii A, B, C, D, E, F: k1 Ai k1 Di Ci * F T i 1 i T B i 1 i CiE (3.31) i1 Bi CiEi1 k+1 Cele două ecuaţii care definesc temperatura T i au formă asemănătoare, de unde se poate scrie prin comparaţie: A E i i (3.32) Bi - CiEi-1 Di Ci * F F i-1 i (3.33) Bi - CiEi-1 Această metodă de rezolvare a ecuaţilor aferente schemei implicite constă în a calcula succesiv E i şi F i, de la i=1 până la i=n. 3) Schema Crank-Nicolson, pentru θ =1/2 k1 k 1 k1 k 1 k 1 1 k k k T i T i * Fo *(T 2T T ) * Fo *(T 2T T ) 2 i 1 i i1 2 i1 i i1 (3.34) Această schemă este tot implicită, însă are avantajul că nu mai prezintă condiţii de convergenţă. III.1.2. Comentarii privind metoda de calcul analogic Demonstraţia prezentată reprezintă model pentru transferul de căldură conductiv, introdus în anii Se constată că de fapt, prin aplicarea metodei, se realizează discretizarea spaţială a ecuaţiei căldurii prin metoda diferenţelor finite. Aceasta se va integra în continuare numai în raport cu timpul şi astfel se obţine în final un model relativ simplu care constă într-un sistem de ecuaţii diferenţiale de ordinul I care, cu condiţii iniţiale cunoscute, se poate rezolva folosind solvere uşor de aplicat, bazate de exemplu pe metoda Runge-Kutta. 81

82 Includerea în studiul de faţă a acestei probleme este justificată de următoarele considrente: - metoda de calcul orară simplificată este inclusă în standardul EPBD [38] şi a fost preluată în metodologia română MC001 de calcul a eficienţei energetice a clădirilor; - demonstraţia urmăreşte credibilizarea acestei metode faţă de specialiştii români care lucrează în domeniul transferului de căldură şi care s-au arătat reticenţi faţă de aplicarea acestui model; - metoda analogică a stat la baza concepţiei programului CoDyBa realizat de un grup de cercetători de la INSA (Institut National des Sciences Appliquées) Lyon Franţa şi care va fi utilizat în continuare în teză. [22] III.2. Programul CoDyBa III.2.1. Descrierea generală a programului de simulare CoDyBa (Comportement Dynamique des Bâtiments Comportamentul Dinamic al Clădirilor ) este un software de simulare dinamică a performanţelor termice şi energetice ale clădirilor. Acesta poate analiza performanţele dinamice hidrotermice ale elementelor de construcţie atunci când este supus la orice fel de condiţii climatice. Instrumentul poate fi folosit pentru mai multe scopuri: să realizeze studii şi strategii de încălzire şi de răcire, sa analizeze opţiuni de climatizare sau de ventilare, să compare materiale izolatoare pentru a fi montate. Obiectivul principal al CoDyBa este de a estima consumului de energie, şi variaţia intervalului de temperatură şi umiditate. Programul permite să se estimeze necesarul de încălzire sau de răcire pentru a menţine o anumită temperatură setată, sau pentru a calcula temperatura interioară atunci când sistemul de încălzire sau de răcire este insuficientă. Acelaşi lucru se poate calcula şi pe parte de umiditate. CoDyBa poate fi utilizat pentru a investiga performanţa energetică a clădirilor de aproape orice tip şi dimensiune. În plus faţă de efectuarea calculelor de vârf necesare pentru proiectarea echipamentelor mecanice, CoDyBa estimează, de asemenea, performanţa energetică anuală a clădirii. 82

83 Programul CoDyBa are la bază modelarea unui sistem termic format dintr-o clădire amplasată în mediul exterior. Acest sistem este compus din module elementare (pereţi, ferestre, volume de aer etc) pentru care se realizează o modelare. Conexiunea dintre aceste module reprezintă modelul global al clădirii. Acestui model ii sunt aplicate solicitări externe (climatul exterior, sarcini interne etc), care pot fi şi ele la rândul lor modelate. Comportamentul dinamic al al clădirii rezultă din faptul că programul ţine cont de caracterul variabil în timp al acestor solicitări; datele de ieşire sunt calculate în funcţie de pasul de timp ales, care de obicei este de o oră. [74] III.2.2. Aplicarea analogiei electrice pentru programul CoDyBa Schema analogică a programului CoDyBa, care include şi repartiţia fluxurilor pe diferite noduri, este dată în figura de mai jos. [12] Modulele componente ale acestei scheme sunt: Pereţii exteriori, cu cele două noduri capacitive (nodul 3 la exterior şi nodul 4 la interior) Planseul, care are aceeaşi structură ca şi peretele exterior, cu două noduri capacitive (nodul 5 la exterior şi nodul 6 la interior) Ferestrele, care nu au noduri capacitive pentru că nu au inerţie termică (nodul 1 la exterior şi nodul 2 la interior) Ventilarea, care leagă nodul corespunzător aerului exterior cu cel al aerului interior Pereţii interiori, care au un nod interior capacitiv (nodul 8) iar celălalt fiind nod de suprafaţă (nodul 7) 83

84 Fig Schema de repartiţie a fluxurilor pt programului CoDyBa ([12]) Căldura provenită de la sarcina internă sensibilă se transferă radiativ - pe lungime de undă scurtă (CICLO) sau lungime mare de undă (CIGLO)- şi convectiv (CICONV). Fiecare nod este supus unor aporturi de căldură provenite ori de la soare ori de la sarcina internă, descompusă în cele trei părţi amintite mai sus. Φ 1 fluxul solar direct şi difuz absorbit de fereastră (W) Φ 2 fluxul solar direct şi difuz absorbit de peretele exterior (W) Φ 3 fluxul solar direct şi CICLO difuz absorbit de planşeu (W) Φ 4 fluxul solar direct şi difuz şi CICLO absorbit de peretele interior (W) Φ 5 fluxul solar şi CICLO absorbit de fereastră după reflexie (W) Φ 6 fluxul solar şi CICLO absorbit de peretele exterior după reflexie (W) 84

85 Sistemul de ecuaţii care rezultă din bilanţul termic în fiecare nod ([12], [86]) se bazează pe expresia ecuaţiei căldurii arătată in subcapitolul anterior: T Ci Ui1,i (T T ) Ui,i 1(T T ) U T (3.35) T i 1 i i 1 i i Fig Schema analogica a programului CoDyBa ([86]) Nodul 1: 0 (Ugrv U v )T1 U vt2 UgrvTe 1 (3.36) Nodul 2: 0 UvT1 (Uv Uirv Uicv )T2 UicvT9 UirvT10 1 (3.37) dt Nodul 3: C 3 em (Uegm Um )T3 UmT4 UegmTe 21 dt (3.38) dt Nodul 4: C 4 im UmT3 (U m Uirm Uicm )T4 UicmT9 UirmT10 6 dt (3.39) dt Nodul 5: C 5 epb dt (Ugpb U pb )T5 UpbT6 UgpbTe (3.40) dt Nodul 6: C 6 ipb UpbT5 (Upb Ucpb Urpb )T6 UcpbT9 UrpbT10 3 (3.41) dt 85

86 Nodul 7: 0 (Urpi Ucpi Upi )T7 U pit8 UcpiT9 UrpiT10 4 (3.42) dt Nodul 8: C 8 pi UpiT7 UpiT8 (3.43) dt dt9 Cai UicvT2 UicmT4 UcpbT6 UcpiT7 Nodul 9: dt (3.44) (Ura Uicv Uicm Ucpb Ucpi )T9 UraTe P CICONV Nodul 10: 0 UirvT2 UirmT4 U rpbt6 UrpiT7 (Uirv Uirm Urpb U rpi )T10 CIGLO (3.45) Rezolvarea acestui sistem de ecuaţii algebro-diferenţiale se face prin metoda diferenţelor finite, utilitând o schemă implicită. În funcţie de modul de funcţionare, se pot scrie două sisteme diferite: puterea interioară disipată este cunoscută, necunoscuta fiind temperatura aerului interior. În acest caz sistemul este de forma [A]*{T t+1 i }=[B] temperatura aerului interior este cunoscută, necunoscuta fiind puterea interioară disipată. În acest caz sistemul este de forma [A ]*{T t+1 i }=[B ] Rezolvarea acestor sisteme în CoDyBa se face prim metoda matricei inverse, astfel că temperatura T t+1 i se calculează ca un produs matricial: {T t+1 i }=[A] -1 [B] şi {T t+1 i }=[A ] -1 [B ] III.2.3. Introducerea datelor de intrare în program CoDyBa are o interfaţă grafică uşor de folosit, cu o structiră tip arbore cu patru ramuri principale: biblioteca de materiale, fisierul meteo, clădirea şi tabele. Prin interfaţa grafică, utilizatorul construieşte un model de geometrie a clădirii, folosind elemente de bază (volume de aer, pereţi, ferestre). Apoi se adăugă sarcini interne şi sisteme HVAC în modelul de clădire creat şi se efectuează calcule termice. Principalele date de intrare necesare pentru efectuarea simulărilor sunt: - caracteristicile elementelor de anvelopă, care se definesc în Biblioteca de Materiale; 86

87 - scenariile de funcţionare ale echipamentelor şi programul de lucru al angajaţilor, care se definesc în ramura Tabel/ Profile ; - climatul exterior, se inserează fişierul meteo; - descrierea clădirii şi a elementelor sale (pereţi, ferestre, terasă), introduse în ramura Clădire; - sursele interne de căldură repartizate pe cele trei componente (oameni, echipamente, iluminat), introduse în ramură Clădire/Interior; - date privind sistemele de răcire şi ventilare, definite în în ramură Clădire/Interior; - debitul de aer şi temperatura aerului interior, introduse prin regulator de debit şi regulator de temperatură în ramură Clădire/Interior. Introducerea datelor privind elementele de construcţie masive (pereţi, terase, pardoseli): Se introduc dimensiunile, orientarea (prin alegerea azimutului solar), straturile componente de la interior la exterior. Programul calculează rezistenţa termică. 87

88 Terasa se introduce tot ca un perete, doar ca se alege azimutul 0 grade, înclinare 0 grade şi tipul plafon. Pentru placa pe sol se alege azimutul 0 grade, înclinare 180 grade şi tipul planşeu. Pe ramura Clădire/Interior se definesc pereţii interiori, planşeul intermediar şi toate aporturile interioare de căldură. Pentru elementele de construcţie din această categorie nu mai trebuie definită orientarea, ci doar tipul. Introducerea planşeului: 88

89 Introducerea ferestrelor: Degajările de la oameni: La fel se definesc şi degajările de la echipamente, iluminat. Pentru scenariul de activitate se selectează un scenariu definit anterior în ramura Tabele/Profil. Programul de lucru al angajaţilor este de la ora 9.00 pana la ora în timpul săptămânii, de luni pâna vineri. 89

90 S-a considerat acelaşi program de funcţionare şi pentru aparatura electronică din birouri (PC, laptop, imprimanta, copiator). Scenariu pentru iluminat este diferit faţă de cel pentru activitatea persoanelor, iluminatul fiind disponibil de la ora 8.00 la ora şi de la la S-a considerat că programul de funcţionare pentru iluminat trebuie să înceapă înaintea programului de lucru al angajaţilor, deoarece personalul de serviciu care asigură curăţenia trebuie să vină cu o ora mai devreme decât angajaţii şi să plece mai tarziu. De asemenea s-au luat în calcul situaţiile când unii angajaţi pot să rămână peste program la birou. Introducerea temperaturii interioare: În funcţie de tipul ales, instalaţia se utilizează pentru încălzire (type addition) sau răcire (type extraction). În cazul în care se doreşte să se afle necesarul pentru răcire, se defineşte un scenariu de temperatură (25 0 C constant pe perioada programului de funcţionare al ocupanţilor). 90

91 III.3. Studii de caz III.3.1. Cazul 1 de referinţă - Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura interioară de calcul Ipotezele de calul legat de clădire şi de programul de funcţionare rămân aceleaşi ca şi în cazul calculului lunar. Transferul de căldură prin ventilaţie Dacă debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura interioară de calcul, se consideră că debitul de ventilare este nul. Totuşi rămâne un debit de aer proaspăt de 0,1 h -1 schimburi pe oră, datorat infiltraţiilor. Aporturile de căldură ale surselor interioare Ca şi în cazul calculului lunar, degajările de la sursele interioare provin de la ocupanţi, aparatură electronică şi iluminat. Se consideră 66 de ocupanţi, cu o degajare de 75W/persoană în timpul programului de lucru (se consideră doar caldura sensibilă, la fel ca şi în cazul lunar). În cazul echipamentelor electronice, se iau în calcul 66 aparate cu o putere de 100W fiecare, pe perioada de funcţionare. Pentru degajările de căldură care provin din iluminat, se introduce valoarea calculată cu metoda lunară, de 803,82W, pe perioada de funcţionare, şi anume şi Φil = A totala * 10W / m * * = W (3.46) 24 7 Determinarea sezonului de răcire Pentru a determina perioada de răcire, în simulare se lasă clădirea să evolueze liber, fără sistem de răcire şi se centralizează temperaturile interioare obţinute. Sezonul de răcire se consideră că începe atunci când trei zile consecutiv temperatura interioară depăşeşte 25 o C (adică temperatura interioară de calcul) cel puţin 3 ore/zi. Evoluţia temperaturii interioare în regim liber este reprezentată în acest caz în figura 3.5. Rezultatele obţinute sunt importate într-un fişier Excel, cu ajutorul caruia se poate reprezenta grafic variaţia temperaturilor interioare comparativ cu temperatura interioară de 91

92 calcul, care trebuie menţinută constant 25 o C. Sezonul de răcire se poate citi grafic pe abscisă, corespunzător curbei care depăşeşte dreapta de temperatură constantă de 25 o C. Fig Variaţia temperaturii interioare pentru cazul 1 Perioada de răcire: 22 mai 1 noiembrie 164 zile, iar consumul de energie pentru răcire este Q R = kwh. III.3.2. Cazul 2: Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura exterioară În acest caz, singura componentă care se modifică faţă de cazul precerdent este necesarul de răcire pentru ventilare, restul datelor de intrare rămân aceleaşi. Faptul că debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura exterioară este reprezentat în program prin punerea în funcţiune a ventilării. Debitul este exprimat în schimburi de aer pe oră. Vv Npers *qp A * q (3.47) B Pentru 66 de persoane, Vv = 3351 m 3 /h. Raportat la volumul clădirii de 2230 m 3, rezultă 1,5 schimburi de aer pe oră. Ventilarea funcţionează pe perioada de lucru al angajaţilor. În rest se consideră un debit de aer proaspăt de 0,1 h -1 schimburi pe oră, datorat infiltraţiilor. 92

93 93

94 Evoluţia temperaturii interioare în regim liber este reprezentată în acest caz în figura 3.6. Fig Variaţia temperaturii interioare pentru cazul 2 Perioada de răcire: 22 mai 31 octombrie 163 zile, iar consumul de energie pentru răcire este Q R = kwh. III.3.3. Cazul 3: Variaţia numarului de ocupanţi 3a. Numarul ocupanţilor creşte Ca şi în cazul calcului lunar, dacă se consideră 5 m 2 /persoană în loc de 10 m 2 /persoană ca în cazurile precedente, numărul ocupanţilor creşte la 135 ocupanţi/clădire, aproape dublu decât în cazurile precedente (66 de persoane). În acest caz, creşterea numărului de persoane influenţează doar energia provenită de la sursele interne, restul datelor rămân aceleaşi ca în cazul 1 de referinţă. Programul calculează căldura degajată de ocupanti, considerând o degajare de 75 W/persoană şi un număr de ocupanţi N pers =135. Pentru aparatura electronică s-a considerat o degajare de 100 W/aparat şi un număr de 135 aparate. Căldura degajată de iluminat rămâne aceeaşi, de 803,82W. Evoluţia temperaturii interioare în regim liber este reprezentată în acest caz în figura

95 Fig Variaţia temperaturii interioare pentru cazul 3a Sezonul de răcire, determinat grafic cu ajutorul temperaturii medii de echilibru, este 30 aprilie 30 noiembrie 215 zile. Necesarul de răcire aferent este Q R =21778 kwh. 3b. Numarul ocupanţilor scade Dacă se consideră 15 m 2 /persoană în loc de 10 m 2 /persoană ca în cazurile precedente, numărul ocupanţilor scade la 66 ocupanţi/clădire la 45. Variaţia numărului de persoane se reflectă în simularea ocupanţilor şi a echipamentelor electronice. Restul datelor de intrare se păstrează ca în cazul 1. Evoluţia temperaturii interioare în regim liber este reprezentată în acest caz în figura

96 Fig Variaţia temperaturii interioare pentru cazul 3b Sezonul de răcire, determinat grafic, este 28 mai 26 octombrie 152 zile. Necesarul de răcire aferent este Q R =9019 kwh. III.4. Compararea rezultatelor cu cele obţinute prin calcul lunar Calcul lunar Calcul orar - Codyba Necesarul Necesarul Cazul Date de Nr. de racire Nr. de racire Perioada de Perioada de studiat intrare de pentru de pentru racire racire zile cladire zile cladire (kwh) (kwh) Cazul 1 θintr=θi 1 aprilie 22 mai de Npers=66 22 octombrie 1 noiembrie referintă Cazul 2 θintr=θe 15 iunie 22 mai Npers=66 30 august 31 octombrie Cazul 3a θintr=θi 7 martie 30 aprilie Npers= noiembrie 30 noiembrie Cazul 3b θintr=θi 7 aprilie 28 mai Npers=45 22 octombrie 26 octombrie Tabel 3.1.: Tabel centralizator cu diferitele cazuri studiate 96

97 Din punct de vedere al temperaturii de introducere, se constată că dacă temperatura de refulare este temperaura interioară de 25 C tot timpul (cazul 1) duce la perioade de racire foarte mari (aproape tot anul) şi implicit la consumuri foarte mari de energie, mai ales în cazul metodei orare. Acest lucru se datorează faptului că în primul caz de referinţă pierderile de căldură prin ventilare sunt nule şi astfel aporturile interne de căldură sunt amplificate faţă de cazul al doilea. În cazul introducerii aerului cu temperatura interioară aporturile sunt mai mari decât pierderile de căldură, ceea ce conduce la un sezon de răcire mai mare. Dacă temperatura de introducere este egală cu temperatura exterioară (cazul 2), se remarcă o scădere a sezonului de răcire şi implicit şi a consumului de energie pentru răcire, în cazul calcului lunar, faţă de cazul de referinţă în care temperatura de introducere este temperatura interioară de calcul de 25 o C. Perioada de răcire este considerabil mai mică în cazul metodei lunare, deoarece această metodă operează cu temperaturi medii exterioare lunare care sunt mai mici decât cele interioare. Prin urmare pe perioada verii este posibil să avem pierderile de căldură prin transfer, ceea ce nu corespunde cu realitatea. Consumurile de energie obţinute prin metoda CoDyBa pentru cazul 2 sunt mai apropiate de realitate decât cele obţinute prin metoda lunară datorită faptului că programul ia în considerare răcirea debitului de aer proaspăt. Calculele realizate prin metoda lunară scapă din vedere consumurile sistemului de ventilare pentru răcirea debitului de aer proaspăt deoarece se consideră că acesta este introdus cu temperatura exterioară mai mică decât temperatura interioară de calcul tot timpul, ceea ce nu corespunde cu realitatea. Din punct de vedere al variaţiei numărului de ocupanţi, aporturile interne şi debitele de aer de ventilare ţin cont de variaţia gradului de ocupare, deci necesarul de răcire variază direct proporţional cu acest număr în ambele metode. 97

98 Capitolul 4 CALCULUL CONSUMULUI DE ENERGIE PENTRU CLIMATIZAREA CLĂDIRILOR PRIN METODE DINAMICE AVANSATE IV.1. Programul Trnsys IV.1.1. Descrierea generală a programului de simulare Trnsys (TRaNsient System Simulation - Program de Simulare a Sistemelor Tranzitorii) este un program de simulare dezvoltat de Universitatea Wisconsin Madison, cu varianta comercială disponibilă din Pachetul cuprinde o interfaţă grafică (Trnsys Simulation Studio), cu ajutorul căreia se creează simularea, o interfaţă pentru clădiri simple sau compuse din mai multe zone (TRNBuild/ Type 56), sistemul de simulare (TRNDLL.dll), executabilul (TRNEXE.exe) şi un program pentru editarea manuală a datelor de intrare şi realizarea de aplicaţii personalizate (TRNEdit). Trnsys abordează modular problema simulării, lucru care îl face un program flexibil în modelarea unei varietăţi de sisteme energetice cu diferite grade de complexitate, deoarece o problemă foarte mare poate fi redusă într-o serie de probleme mai mici, fiecare putând fi mai usor rezolvată. În plus se observă faptul că multe dintre componente se pot regăsi şi în alte sisteme, deaceea ele sunt descrise sub formă generală, lucru ce determină că pot fi utilizate cu mici modificari sau direct. Aplicaţiile principale ale programului se regăsesc în domeniile: Sisteme solare ( panouri solare şi celule photovoltaice) Clădiri ecologice şi sisteme HVAC cu consum redus de energie (ventilare naturală, încălzirea/răcirea plăcilor, faţade) Energie regenerabilă (pompe de căldură,turbine eoliene) Cogenerare şi biocombustibil Orice sistem ce necesită simulare dinamică. 98

99 Fiecare componentă a unui sistem creeat are la baza un model matematic.componentele sistemului sunt denumite în program ca şi tipuri numerotate de elemente( exemplu: Type56a) Caracteristicile clădirilor se modifică şi se realizează cu ajutorul TRNBuild.exe. Astfel se poate vedea/edita structura clădirii, comportamentul termic al clădirii (în functie de suprafeţele vitrate, regimul de încălzire/răcire). Simularea are ca rezultat realizarea unor grafice între parametrii studiaţi. Citirea datelor se poate face prin oprirea simulării într-un anumit moment şi repornirea ulterioară a acesteia. Subrutinele Trnsys Programul conţine mai multe subrutine pentru controlul simulării şi calculul modelelor de componente. Subrutinele de modele de componente (TYPE) sunt calculate separat într-o anumită secvenţă. Un Type este reprezentat de o componentă Trnsys ce simulează caracteristicile şi evoluţia unui element real (colector solar, pompa etc.) şi/sau poate rezolva o serie de operaţii matematice (ecuaţii, funcţii). Fiecare componentă (Type) are asociat un număr de indentificare propriu ce corespunde subrutinei Fortran utilizată pentru componenta respectivă. Când utilizăm acelaşi type, de mai multe ori în cadrul unei aplicaţii, fiecărei componente i se atribuie un număr de ordine pentru a putea stabili cu uşurinţă succesiunea operaţiilor. Componentele cu un impact major asupra sistemului sunt Type 56- clădirea multizonă şi Type 109-TMY2 care conţine datele meteo. Având în vedere complexitatea unei clădiri multizone, parametrii type-ului 56, nu sunt definiţi direct în fişierul de intrare Trnsys. În schimb sunt atribuite două fişiere ce conţin informaţiile necesare pentru descrierea construcţiei (*. bld) şi funcţia de transfer ASHRAE pentru pereţi (*.trn). TRNBuild este un program utilizat pentru a introduce date de intrare pentru clădirile multizone. Acesta permite specificiarea detaliată a elementelor de anvelopă ale cladirii, şi tot ceea ce este necesar pentru a simula comportamentul termic al clădirii, cum ar fi proprietătile optice ale ferestrei, programul de funcţionare al echipamentelor, tipul de ventilare etc. Scopul editării separate a compomentei Type56 este de a defini în detaliu caracteristicile şi comportamentul termic al fiecărei zone din care este alcătuit acest tip. 99

100 TRNBuild creaza fişiere cu extensia (*.bui) ce includ toate informatiile necesare simulării clădirii. Type 109-TMY2 are scopul principal de a citi date meteorologice, la intervale de timp regulate dintr-un fişier de date, convertindu-le într-un sistem unităţi dorite, generând valori ale radiaţiei solare directe si difuze pentru un număr arbitrar de suprafeţe cu orientare şi înclinare arbitrară. Typical Meteorological Year (TMY) a fost realizat pentru a funiza date climatice orare sub forma de fisiere usor de gestionat. Este precursorul lui TMY2. Modelul clădirilor ([91]) Realizarea modelului clădirilor se poate face şi cu ajutorul unui automat de modificare a caracteristicilor clădirii din TRNBuild.exe. Pentru definirea caracteristicilor clădirii trebuie urmăriţi următorii paşi: Definirea zonelor şi adiacentelor între ele Caracteristicile zonelor (nume,înălţime,lungime,lăţime, şi implicit volum ocupat) Orientarea clădirii şi suprafeţele vitrate Infiltraţii prin neetanşeităţi şi tipul de climatizare Încălzire şi răcire (procentul de încălzire radiativă, temperaturile pe timp de zi şi pe timp de noapte, puterea specifică de încălzire) Aporturi (aporturi specifice de la persoane, iluminat, alte surse) Umbrire (fixă sau mobilă-în funcţie de tipul parasolarelor şi dimensiunile ferestrelor şi de radiaţia totală ce pătrunde prin spaţiile vitrate) Finalizarea definirii clădirii şi concretizarea proiectului. O cladire poate fi definită cu ajutorul lui TRNBuild care defineşte caracteristicile şi comportamentul termic al clădirii multizonale. Conceptul de multizone building poate fi văzut/modificat ca o clădire alcătuită din maxim 25 de zone care pot influenţa comportamentul termic al clădirii. În programul de simulare, TRNStudio, clădirea multizonală este definită sub forma unui singur parametru, având denumirea de TYPE

101 Începerea unui proiect nou de cladire se face cu definirea: informaţiilor generale orientării geografice a pereţilor intrărilor adiţionale ieşirilor dorite în final Definirea orientărilor se face din lista de orientari posibile : Nord, Sud, Est, Vest, Nord- Est, Nord-Vest, Sud-Est, Sud-Vest, Orizontal sau altele introduse de utilizator. Pentru fiecare orientare selectată se va atribui o radiaţie incidentă în funcţie de zona în care se află locuinţa. Calculul coeficienţilor de transfer de căldură se calculează cu ajutorul unor parametri care se definesc în funcţie de diferenţele de temperaturi între suprafeţe şi aerul interior. Astfel se determină h conv = const (T suprafata T aer ) exp (4.1) Valorile coeficienţilor const si exp se găsesc în literatura de specialitate. Definirea intrărilor se poate face din fereastra INPUTS. Aici se pot defini intrările din cadrul descrierii clădirii (exemplu aporturi suplimentare, program de funcţionare etc.) Definirea ieşirilor se referă la anumite date de ieşire ce vor să fie vizualizate şi comparate de utilizator. Predefinite sunt valorile temperaturii aerului şi necesarului de energie sensibilă. Aceste valori se pot vizualiza pentru o singură zonă sau pentru un grup de zone, în funcţie de preferinţe. 101

102 Zonele termice Modelul multi-zonă utilizat Type 56 este un model non-geometric de echilibru cu un singur nod de temperatură, ce reprezintă întreaga capacitate termică a zonei. Q vent Q inf Q i Q supr,i Q inv Q surse Fig.4.1 Bilanţul termic al unui nod de temperatură corespunzator unei zone Fluxul de căldură convectiv în punctul respectiv : i vent inf surse inv sup r,i (4.2) Ф vent - fluxul provenit de la debitul de aer introdus de un sistem de ventilare vent Vv * *cp *(Tv Ti ) (4.3) Ф inf - fluxul provenit din infiltraţii de aer din exterior inf Vv * *cp *(Te Ti ) (4.4) Ф surse - aporturi de căldură de la oameni,echipamente,iluminat etc. Ф inv - fluxul de căldură provenit de la încăperi/zone vecine inv Vv * * cp * (Tzonax Ti ) (4.5) Ф supr,i - fluxul convectiv provenit de la suprafeţele interioare sup r,i Up *Sp *(Tp Ti ) (4.6) 102

103 Legături şi schimburi de aer interzonale Legăturile dintre zone sunt reprezentate de debitele masice de aer pe care o zona le poate primi de la altă (poate fi considerat ca debit provenit de la/la un nod de aer). Acest fenomen se poate întâmpla şi invers, astfel aerul transferat să revină în zona din care a plecat. Pentru a se lua în considerare acest debit de aer, trebuie ca legătura cu zona adiacentă să fie definită în aşa fel încât un debit egal de aer să fie returnat. Scopul acestei convenţii este de a defini ventilarea în cruce sau o ventilare circulară cu trei sau mai multe zone.(ex. fenomenul de termosifon între gradină de vară şi camera adiacentă) Schimb interzonal Ventilare în cruce Ventilare circulara Fig. 4.2 Schimburi de aer interzonale Fluxuri de căldură radiative către pereţi şi ferestre Fiecare corp emite radiaţii, influenţând distribuţia de temperatură a zonei în care se află, conducţia şi convecţia liberă sau forţată. Domeniul radiaţiilor termice caracterizează o radiaţie electromagnetică cu o lungime de undă cuprinsă între 0.1 µm şi 100 µm. Fluxul radiant incident pe o suprafaţă a unui corp (exemplu perete) este absorbit, reflectat şi transmis prin corpul respectiv. 103

104 Aporturile provenite de la radiaţiile solare sunt o problemă importantă în domeniul construcţiilor şi instalaţiilor. Luând în considerare radiaţiile solare, fluxul de căldură radiativ într-un anumit punct din interiorul unei încăperi este calculat în funcţie de următorii factori: Q r,w - aporturi prin radiaţie în nodul(punctul) de pe perete [kj/h] Q g,r,i,w - aporturi prin radiaţie primite de perete [kj/h] Q sol,w - aporturi solare prin radiaţie prin ferestre [kj/h] Q long,w - schimburi de căldură radiative între pereţi şi ferestre [kj/h] Q wall-gain - fluxul de căldură prestabilit pe perete sau fereastră [kj/h] Q r,w = Q g,r,i,w + Q sol,w + Q long,w + Q wall-gain (4.7) Aporturile solare prin ferestre sunt distribuite pe toţi pereţii Fig. 4.3 Fluxuri de căldură radiative considerând temperatura unui nod de pe un perete([91]) Transferul global de căldură Caracateristica cantitativă a procesului general de schimb de căldură îl constituie coeficientul global de transmisie a căldurii U sau rezistenţa termică globală R. În regim staţionar, schimbul de căldură se exprimă sub forma: Q=U*S*Δt [W] (4.8) sau Q= (S*Δt)/R [W] (4.9) Δt= diferenţa de temperatură dintre cele două fluide; S= suprafaţa de schimb de căldură. Expresia coeficientului global de transmisie a căldurii printr-un perete plan, compus din mai multe straturi are forma: 104

105 unde: 1 U [W/m 2 K] (4.10) 1 n i 1 hi i1 i he exprimând rezistenţa termică cu: 1 n i 1 R h1 i1 i h2 [m 2 K/ W] (4.11) h i coeficient de schimb superficial global la interior he coeficient de schimb superficial global la exterior δ grosimea stratului de perete λ conductivitatea termică a materialului Fluxurile de caldură corespunzatoare pereţilor oricăror pereţi. În figura 4.4, se detaliază fluxurile de căldură şi comportamentul termic corespunzător Fig.4.4 Fluxuri de căldură şi temperaturi corespunzătoare suprafeţelor interioare şi exterioare([91]) S s,i Fluxul de căldură radiativ absorbit la suprafeţele interioare; S s,o Fluxul de căldură radiativ absorbit la suprafeţele exterioare; q r,s,i Transferul de căldură net radiativ cu toate suprafeţele interioare unei zone; q r,s,o Transferul de căldură net radiativ cu toate suprafeţele exterioare; q s,i Fluxul de căldură conductiv de la interiorul peretelui la suprafaţa interioară; q s,o Fluxul de căldură conductiv de la suprafata exterioara la interiorul peretelui; q c,s,i Fluxul de căldură convectiv de la suprafaţa interioară la aerul interior; q c,s,o Fluxul de căldură convectiv de la mediul exterior la suprafaţa exterioară; 105

106 T s,i Temperatura suprafeţei interioare; T s,o T i Temperatura suprafeţei exterioare; Temperatura in zona interioara (nodul de aer) T a,s Temperatura aerului exterior Modelele matematice din spatele ecuaţiilor fluxurilor de căldură prin pereţi se bazează pe funcţia de transfer concepută de Mitalas şi Arseneault, definiţa de la suprafaţă la suprafaţă. În concluzie, pentru orice perete, fluxul de căldură prin conducţie pe suprafeţele interioare şi exterioare este: qs,i n b s n c n d k k s k k s k k bs T s, 0 cs T s,i ds q s,i k 0 k 0 k1 (4.12) n a s n b n d k k s k k s k k qs,0 as T s, 0 bs T s,i ds q s, 0 (4.13) k0 k 0 k 1 unde: k - coeficient care se referă la timpul în care se realizează măsurătoarea. a s,b s,c s,d s - coeficienţi care depind şi ei de timp şi care sunt determinaţi folosind funcţia de transfer -z-. Din punct de vedere termic o fereastră este considerată ca un perete extern fără masivitate termică, parţial transparent la aporturi solare dar opacă la aporturile interne de lungime mare de undă. Se consideră că absorbţia radiaţiilor de lungime mare de undă apare numai la suprafeţe interioare. În calcului bilanţului de energie pentru tipul 56, fereastra este definită ca un model alcătuit de 2 noduri (figura 4.5) unde: U g,s = coeficientul total de pierdere de căldură prin suprafaţa vitrată,de la interior la exterior Fig.4.5 Model de fereastră în 2 noduri folosită în componenta Type 56 pentru calculul bilanţului de căldură 106

107 Aporturi totale de la suprafeţele unei zone Aporturile totale la zona i de la toate suprafeţele este suma fluxurilor de căldură: Q surf,i = A s q comb,i = zonele adiacente suprafata i la j A s B s T centru, j + suprafetele ext A s B s T a + + peretii interiori A s B s T centru + marginea cunoscuta A s B s T b,s - suprafata in zona i A s (C s T centru,i D s S s,i ) (4.14) Unde: As = suprafata interioara a suprafetei s Obs. Ambele suprafeţe ale unui perete interior sunt considerate suprafeţe interioare şi trebuie incluse de două ori în ecuaţie. Bilantul de energie in nodul central: Q surf,i = 1/R centru,i *(T centru,i T i ) (4.15) Infiltraţii,ventilare şi schimburi de aer convective Valorile infiltraţiilor prin neetanşeităţi şi a ventilării unei clădiri sunt date în schimburi de aer pe oră. Debitul masic este rezultatul volumului aerului dintr-o zonă, a densităţii aerului şi a schimburilor de aer. Infiltraţiile apar întotdeauna din exterior, pe când ventilarea apare de la o posibilă variaţie de temperatură. Se presupune că valori egale de aer părăsesc o anumită zonă la temperatura zonei respective. Astfel câstigurile de energie ale unei zone datorate infiltraţiilor si ventilării sunt: unde: Q inf,i =m inf,i C p (T a -T i ) (4.16) Q v,i = vent m v,i C p (T v -T i ) (4.17) m inf,i = debitul masic de aer infiltrat; m v,i = debitul masic de aer ventilat; C p = căldură specifică a aerului; T v = temperatura aerului ventilat; T a = temperatura ambientului sau exterioară. 107

108 Pentru fiecare perete sau fereastră care separă zone de temperaturi de transport sau pentru fiecare perete ce se află în contact cu exteriorul, se poate defini un schimb de căldură convectiv. Acest schimb este dat de debitul masic de aer care intră în zonă prin suprafaţa respectivă. O cantitate egală de aer este presupusă a părăsi zona la temperatura zonei respective. Aporturile totale de energie datorate schimbului convectiv între suprafaţă şi aer este suma tuturor aporturilor pentru toţi pereţii şi toate ferestrele din zonă: Q cplg,i = zone adiacente suprafete i la j m cplg,s C p (T j -T i ) margini m cplg,s C p (T m -T i ) (4.18) m cplg,s = debitul masic de aer care intră în zona i prin pereţi sau ferestre. IV.1.2. Avantajele programului Datorită noutăţilor pe care Trnsys le aduce faţă de metodele de calcul clasice de consum de energie, se vor putea calcula consumuri de energie mult mai apropiate de realitate şi mai exacte. Sistemul este definit printr-un set de componente interconectate în aşa fel incât să rezolve o anumită sarcină. Se obeservă şi aici caracteristica modulară a programului, lucru ce face posibilă simularea performanţei sistemului prin simularea colectivă a performanţei şi a interacţiunii dintre componente. Performanţa unei componente din sistem depinde în mod normal de caracteristicile fixate ale parametrilor, performanţele (output) altor componente şi a funcţiilor dependente de timp. Pentru a putea rula programul, componentele trebuie conectate între ele, realizânduse astfel un flux informaţional al diagramei. Acesta este o reprezentare schematică a transferului de informaţie ce se realizează între componente sistemului. Fiecare informaţie ce este primită sau transmisă de o componentă este reprezentată grafic printr-o săgeată (de la output-ul componentei anterioare la inputul componentei următoare). Informaţia transmisă este reprezentată de Output şi poate fi transmisă utilizatorului prin intermediul unei componente finale (Printer, Online Plotter) sub formă de diagramă, tabel. 108

109 Avantajele acestui program sunt: - structura modulară a simulării care reduce cu mult complexitatea sistemului simulat deoarece o problemă foarte mare poate fi redusă la o serie de probleme mai mici - interconectarea componentelor sistemului în aproape orice formă - rezolvarea diferitelor ecuaţii - facilitarea transmiterii de informaţii de la o componentă la alta Din aceste cauze problema simularii sistemului se reduce la indentificarea tuturor componentelor şi descrierea matematică a acestora. IV.1.3. Introducerea datelor de intrare în program Principalele date de intrare necesare pentru efectuarea simulărilor sunt: - definirea datelor climatice; - stabilirea elementelor de construcţie care delimitează încaperea(pereţi, ferestre, terasă); - caracteristicile elementelor de anvelopă; - scenariile de funcţionare ale echipamentelor şi programul de lucru al angajaţilor; - sursele interne de căldură repartizate pe cele trei componente (oameni, echipamente, iluminat); - date privind sistemele de răcire şi ventilare; - debitul de aer şi temperatura aerului interior. Datele clădirii şi ale sistemului de ventilare şi climatizare au fost transpuse prin intermediul pre-procesorului TRNBuild astfel: Ddefinirea elementelor de anvelopa s-a făcut pe orientari pentru fiecare element de anvelopă în parte, folosind materialele din libraria existentă astfel încât structurile definite şi valorile transmitanţelor rezultate să fie comparabile cu cele din metoda lunară. 109

110 Introducerea pereţilor: 110

111 Introducerea plăcii de pe sol: Programul de funcţionare se introduce din meniul Schedule, care permite definirea unor profile exacte de ocupare a clădirii, profile ce pot fi folosite atât pentru determinarea degajărilor interioare de căldură cât şi pentru stabilirea regimului de funcţionare a sistemului de ventilare şi climatizare. 111

112 Pentru angajaţi şi aparatura electonică se defineşte acelaşi program de funcţionare ca şi în cazurile din capitolele anterioare, adică de luni până vineri, de la ora 9.00 la Scenariu pentru iluminat este diferit faţă de cel pentru activitatea persoanelor, iluminatul fiind disponibil de luni până vineri, de la ora 8.00 la ora şi de la la

113 Functionarea sistemului climatizare se poate face conform unui program de lucru a sistemul de climatizare astfel incat temperatura interioara prescrisa (25 C) sa fie mentinuta doar in perioada de ocupare a cladirii. Sarcina de racire a cladirii va fi acoperita de sistemul de climatizare care poate fi de tipul numai aer sau aer-apa. 113

114 IV.2. Studii de caz IV.2.1. Cazul 1 de referinţă - Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura interioară de calcul Faptul că debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura interioară de calcul, reprezintă introducerea unei ventilări mecanice în programul de simulare, cu o temperatură de refulare constantă de 25 o C, egală cu cea a temperaturii interioare. Debitul de ventilare este introdus în schimburi pe oră. Ventilarea este pornită doar pe perioada de lucru a angajaţilor. Debit de aer proaspăt datorat infiltraţiilor este considerat de 0,1 h -1 schimburi pe oră, la fel ca şi în cazul folosirii programului CoDyBa. Aporturile de căldură ale surselor interioare Ca şi în cazul calculului lunar, degajările de la sursele interioare provin de la ocupanţi, aparatură electronică şi iluminat. Se consideră 66 de ocupanţi, cu o degajare de 75W/persoană în timpul programului de lucru, conform ISO 7730 (se consideră doar caldura sensibilă, la fel ca şi în cazul lunar). În cazul echipamentelor electronice, se iau în calcul 66 aparate cu o putere de 100W fiecare, pe perioada de funcţionare. Datorită faptului că nu există predefinită în program puterea dorită de 100W/echipament, s-a ales puterea cea mai apropiată de 80 W/aparat şi s-a modificat 114

115 numărul de aparate electronice pentru a rezulta o putere totală egală cu cea calculată cu metoda lunară. Pentru degajările de căldură care provin din iluminat, se consideră 10 W/m 2. Interfaţa grafică reprezentată în Trnsys Simulation Studio pentru cazul 1 este: 115

116 Determinarea sezonului de răcire După rularea aplicaţiei, programul permite atât afişarea grafică a parametrilor doriţi cât şi editarea valorilor acestor parametrii sub forma unor fişiere text prin intermediul subrutinei Type 65b (Online Plotter with File) C Fig Variaţia temperaturilor interioară şi exterioară, când clădirea evoluează liber 116

117 Pentru a determina perioada de răcire, se cladirea a fost lasata sa evolueze liber, fără sistem de răcire. Sezonul de răcire este determinat prin prelucrarea valorilor orare ale temperaturii interioare conşinute de fişiereul text generat de Type 65b. Acesta începe atunci când trei zile consecutiv temperatura interioară depăşeşte 25 o C (adică temperatura interioară de calcul) cel puţin 3 ore/zi. Perioada de răcire determinată este 12 aprilie 30 octombrie. 202 zile Determinarea consumului de energie pentru răcirea clădirii s-a făcut prin însumarea consumurilor orare rezultate pentru menţinerea temperaturii interioare de 25 C în perioada de ocupare a clădirii. În această situaţie sistemul de climatizare este pornit pe perioada de ocupare a clădirii. Simulare s-a realizat cu pasul de timp de o oră. Variaţia consumurilor de energie orare pentru menţinerea temperaturii interioare de 25 C în perioada de ocupare fiind următoarea: Fig. 4.7 Variaţia temperaturilor interioară şi exterioară şi a consumului de energie pentru răcirea clădirii Valoarea totală a necesarului de energie pentru răcirea clădirii pe perioada sezonului de răcire determinat anterior este Qr=12536 kwh. 117

118 IV.2.2. Cazul 2: Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura exterioară Datele de intrare rămân la fel ca şi în cazul precedent. Singura componentă care se schimbă este că temperatura de introducere a aerului proaspăt necesat ventilării nu mai este constantă, ci este temperatura exterioară. Variaţia temperaturilor interioare şi exterioare orare în această situaţie fiind următoarea: 25 0 C Fig. 4.8 Variaţia temperaturilor interioară şi exterioară, când clădirea evoluează liber 118

119 Perioada de răcire este 24 mai 15 octombrie -145 zile. Pentru a determina consumul de energie, se porneşte sistemul de climatizare pe perioada de ocupare a clădirii. Simulare s-a realizat cu pasul de timp de o oră. Variaţia consumurilor de energie orare pentru menţinerea temperaturii interioare de 25 C în perioada de ocupare fiind următoarea: Fig. 4.9 Variaţia temperaturilor interioară şi exterioară şi a consumului de energie pentru răcirea clădirii Valoarea totală a necesarului de energie pentru răcirea clădirii pe perioada sezonului de răcire determinat anterior este Qr=10051 kwh. IV.2.3. Cazul 3: Variaţia numarului de ocupanţi 3a. Numarul ocupanţilor creşte Dacă numărul de persoane creşte la 135, aporturile interne se modifică. Restul datelor de intrare, inclusiv temperatura de refulare a aerului proaspăt, de 25 o C. Rămân la fel ca în cazul 1 de referinţă. 119

120 Modificarea numărului de ocupanţi influenţează şi debitul de aer pentru ventilare, care va creşte de la 1,5 schimburi pe oră la 2,28 h

121 Când clădirea evoluează liber, cu sistemul de climatizare oprit: 25 0 C Fig Variaţia temperaturilor interioară şi exterioară, când clădirea evoluează liber Perioada de răcire este 24 februarie 4 decembrie -284 zile. Necesarului de energie pentru răcirea clădirii pe perioada sezonului de răcire este Qr=29225 kwh. Fig Variaţia temperaturilor interioară şi exterioară şi a consumului de energie pentru răcirea clădirii 121

122 3b. Numarul ocupanţilor scade Modificarea numărului de ocupanţi de la 66 la 45, influenţează atât aporturile interne cât şi debitul de aer pentru ventilare, care va scădea de la 1,5 schimburi pe oră la 1,27 h -1. Variaţia liberă, fără sistem de climatizare, a temperaturilor: 25 0 C Fig Variaţia temperaturilor interioară şi exterioară, când clădirea evoluează liber Perioada de răcire este 10 mai 23 octombrie 167 zile. 122

123 Fig Variaţia temperaturilor interioară şi exterioară şi a consumului de energie pentru răcirea clădirii Valoarea totală a necesarului de energie pentru răcirea clădirii pe perioada sezonului de răcire determinat anterior este Qr=8466 kwh. IV.2.4. Cazul 4: Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatură variabilă În acest caz temperatura de refulare este variabilă prin intermediul unui sistem de automatizare care atunci când temperatura exterioară este mai mică de 25 C comandă ca aerul proaspat să fie introdus în clădire cu temperatura exterioara iar cand această condiţie nu este satisfacută, sistemul de automatizare comandă răcirea aerului proaspăt până la temperatura interioară prescrisă (25 C). 123

124 Datele de intrare rămân cele de la cazul 1 de referinţă (66 persoane), de aceea şi debitul de ventilare rămâne acelaşi (1,5 h -1 ). Însă în acest studiu de caz s-a definit un sistem de ventilare în care aerul proaspăt este introdus cu temperatura exterioară în perioada în care aceasta este mai mică decât temperatura interioară de calcul. Acest lucru a fost posibil prin implementarea unui sistem de automatizare care să dicteze temperatura de refulare a aerului proaspat în funcţie de valoarea temperaturii exterioare. 124

125 Variaţia temperaturilor interioare şi exterioare orare în această situaţie fiind următoarea: 25 0 C Fig Variaţia temperaturilor interioară şi exterioară, când clădirea evoluează liber Perioada de răcire este 24 mai 18 septembrie zile. Valoarea totală a necesarului de energie pentru răcirea clădirii pe perioada sezonului de răcire este Qr=6119 kwh. Variaţia consumurilor orare: Fig Variaţia temperaturilor interioară şi exterioară şi a consumului de energie pentru răcirea clădirii 125

126 IV.3. Compararea rezultatelor cu cele obţinute prin calcul lunar Calcul lunar Calcul orar - Trnsys Necesarul Necesarul Cazul studiat Date de intrare Perioada de racire Nr. de zile de racire pentru cladire Perioada de racire Nr. de zile de racire pentru cladire (kwh) (kwh) Cazul 1 de referintă θintr=θi Npers=66 1 aprilie 22 octombrie aprilie 30 octombrie Cazul 2 θintr=θe Npers=66 15 iunie 30 august mai 15 octombrie Cazul 3a θintr=θi Npers=135 7 martie 15 noiembrie februarie 4 decembrie Cazul 3b θintr=θi Npers=45 7 aprilie 22 octombrie mai 23 octombrie Cazul 4 θintr=var. Npers=66 1 iunie 28septembrie mai 18 septembrie Tabel 4.1.: Tabel centralizator cu diferitele cazuri studiate Din punct de vedere al temperaturii de introducere, se constată că adoptarea unei temperaturi de refulare de 25 C tot timpul (cazul 1) duce la perioade de racire foarte mari (aproape tot anul) şi implicit la consumuri foarte mari de energie. Aceasta soluţie în care debitul de aer proaspat să fie introdus cu o temperatură constantă de 25 C ar fi complet neeconomică din punct de vedere al consumului de energie deoarece clădirea ar avea nevoie de răcire şi în lunile de tranziţie în care degăjarile interioare ar putea fi acoperite prin introducerea debitului de aer proaspăt cu temperatura exterioară, realizându-se astfel o răcire pasivă. Dacă temperaturii de introducere este egală cu temperatura exterioară (cazul 2), se remarcă o scădere a sezonului de răcire şi implicit şi a consumului de energie pentru răcire, mai 126

127 ales în cazul calcului lunar, faţă de cazul de referinţă în care temperatura de introducere este temperatura interioară de calcul de 25 o C. În cazul metodei lunare, acest lucru se datorează faptului că în primul caz de referinţă pierderile de căldură prin ventilare sunt nule şi astfel aporturile interne de căldură sunt amplificate faţă de cazul al doilea. În cazul introducerii aerului cu temperatura interioară aporturile sunt mai mari decât pierderile de căldură, ceea ce conduce la un sezon de răcire mai mare. În cazul utilizării programului Trnsys, necesarul mai mic de răcire în cazul introducerii aerului proaspăt cu temperatura exterioară a rezultat din efectul de răcire al aerului proaspăt de ventilare pus în evidenţă în special la debite mari de ventilare şi în perioadele de tranziţie. Calculele realizate prin metoda lunară scapă din vedere consumurile sistemului de ventilare pentru răcirea debitului de aer proaspăt deoarece se consideră că acesta este introdus cu temperatura exterioară mai mică decât temperatura interioară de calcul tot timpul, ceea ce nu corespunde cu realitatea. Cazul 4 în care temperatura de introducere este variabilă în funcţie de valoarea temperaturii exterioare este cel mai economic. Se remarcă o scădere aproape la jumătate a perioadei de răcire şi a consumului de energie faţă de primul caz. Rezultatele obtinute in acest studiu de caz se apropie mult mai mult de realitate decât cele din studiul de caz 2 deoarece nu mai sunt introduse pierderi de caldura prin transfer in lunile de vârf si datorită faptului că se ia în considerare răcirea debitului de aer proaspăt în anumite perioade. Pentru a înlătura efectul importanţei perioadele de tranziţie, s-au efectuat simulările aferente primelor două cazuri doar pentru luna iulie, lună în care se ştie că trebuie pus în funcţiune sistemul de răcire: a. Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura interioară de calcul luna iulie Ca şi în cazurile anterioare, clădirea este lăsată să evolueze liber pentru a remarca variaţia temperaturilor interioare şi exterioare când nu este pus în funcţiune sistemul de climatizare (fig. 4.16) 127

128 Fig Variaţia temperaturilor interioară şi exterioară, când clădirea evoluează liber Dacă temperatura interioară este limitată la 25 o C, prin pornirea sistemului de climatizare, se remarcă variaţiile din fig Fig Variaţia temperaturilor interioară şi exterioară şi a consumului de energie pentru răcirea clădirii Valoarea totală a necesarului de energie pentru răcirea clădirii este Q R =1557 kwh. 128

129 b. Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura exterioară luna iulie Fig Variaţia temperaturilor interioară şi exterioară, când clădirea evoluează liber Fig Variaţia temperaturilor interioară şi exterioară şi a consumului de energie pentru răcirea clădirii Valoarea totală a necesarului de energie pentru răcirea clădirii este Q R =2163 kwh. Interpretarea rezultatele a pus în evidenţă un necesar mai mare pentru cazul al doilea, deoarece în acest caz aerul proaspăt trebuie tratat înainte de a fi introdus. De aici se remarcă influenţa perioadei de tranziţie, care pentru tot sezonul de răcire duce la scăderea necesarului pentru cazul al doilea, când de fapt această valoare ar trebui să fie mai mare faţă de primul caz. 129