1. Standardul Clădirilor Pasive

Termenul de ”casă pasivă” (passivhaus) face referire la un standard de clădire

caracterizat printr-o eficiență energetică marită, dezvoltat și implementat de Institutul Caselor

Pasive (ICP) din Darmstadt, Germania. Este un standard specific pentru clădiri prin care s-a

reușit obținerea unui confort termic interior optim indiferent de sezon sau climă, raportat la un

consum minim. Definiția stipulată de către ICP, preluată din lucrările lui Adamson (1987) și

Freist (1988) o descrie ca: ”[...] o clădire în care poate fi menținut un climat interior confortabil

fără sisteme active de încălzire și răcire” [1].

Conceptul de clădire pasivă a fost inițializat de doi cercetători, Wolfgand Feist

(Germania) și Bo Adamson (Suedia), care în anul 1990 au finalizat construcția primei case

pasive la Darmstadt, Germania. Prin izolarea suplimentară și etanșarea sporită a anvelopei

(grosimea izolației a variat de la 275 mm pentru pereții laterali la 450 mm pentru tavan),

minimizarea punților termice, utilizarea unui sistem de ventilație mecanică, cuplat cu un

recuperator de căldura eficient și un sistem de preîncălzire a aerului proaspăt din resursa

termică regenerabilă a solului, conceptul reușit să reducă necesarul de energie pentru încălzire

cu până la 90% față de o clădire construită conform normativelor din acea vreme (Figura 1).

Figura 1. Comparatie intre 6 concepte diferte de case cu consum redus de energie, raportate la

Normativul German din anul 1984 [5]

Pentru a reduce consumul total de energie utilizat în clădire, Adamson și Freist au

utilizat colectori solari cu tuburi vidate pentru apa caldă menajeră, ce asigura aproximativ 66%

din necesar, restul fiind asigurat de un sistem termic ce utiliza gazul natural [2]. Rezultatele

cercetării au dus la apariția standardului caselor pasive (Passivhaus Standard), elaborat de

Freist în 1995, care, un an mai târziu a înființat ICP (Passivhaus Institute) pentru a promova

conceptul. În prezent ICP asigură certificarea clădirilor construite conform standardului.

Testele ulterioare prezentate de IEEA [3] indică faptul că într-o casă pasivă se poate

menține cu ajutorul sistemelor convenționale de încălzire și ventilație o temperatură operativă

de 25 oC vara și de 20 oC iarna în peste 96 % din timp. Structura conceptuală a clădirii pasive

permite, fără existența sistemului de încălzire/răcire, obținerea unei temperaturi de peste 18 oC

(pe timp de iarnă) în peste 68% din timp și de sub 25 oC (pe timp de vară) în peste 71% din

timpul de utilizare, în cazul anumitor clădiri pasive studiate [3].

O clădire pasivă este caracterizată de o combinație între unu tip special de arhitectură,

formă compactă, o izolație foarte bună a anvelopei (minimizând la maximum punțile termice

apărute la îmbinări), o etanșeitate ridicată, utilizarea optimă a câștigurilor interne și externe de

căldură și un sistem mecanic de ventilație, combinat cu un sistem eficient de recuperare a

căldurii (mechanical ventilation an heat recovery unit - MVHR) [4, 5].

Spre deosebire de o clădire standard,

o clădire construită conform cerințelor

Institutului din Darmstadt reușește să

minimizeze la maximum pierderile de

căldură prin anvelopa clădirii, rezultând o

minimizare a necesarului termic introdus

pentru a menține confortul interior dorit

(Figura 2) .

Standardizarea clădirilor pasive ține

cont de consumul energetic pentru încălzire

și răcire (sub 15 kWh/m2/an), consumul total

specific de energie primară (sub 120

kWh/m2/an – indiferent de sursa de energie),

sarcina termică maximă (sub 10 W/m2) dar și

de confortul termic interior (teperatura

interioară nu va coborî sub 20 oC pe timp de

iară și nu va depăși 25 oC pe perioada verii în

mai mult de 10% din timp).

Figura 2. Comparație între pierderile/câștigurile

pentru o casă standard și o casă pasivă

În vederea obținerii acestor performante energetice crescute, o casă trebuie să respecte

următoarele exigențe:

schimbul de aer prin neetanșeități, măsurat la o presiune de 50 Pa (conform

normativului EN 13829) scăzut (n50 < 0,6 h-1),

coeficienți de schimb de căldură interior-exterior foarte scăzuți (sub 0,15 W/m2/K –

elementele opace și sub 0,8 W/m2/K – pentru elementele vitrate) ,

coeficieți de aborție a radiației solare prin ferestre ridicați (g ≈ 0,5)

preîncălzirea/prerăcirea aerului proaspăt

recuperarea eficientă a căldurii aerului evacuat cu ajutorul unui schimbător de căldura

cu randament ridicat (η > 80%),

existența sistemelor de producere a apei calde menajere din surse regenerabile

aparatură electrocasnică de clasă energetiă A+. [6, 7, 8].

Îmbinarea standardului caselor pasive cu un sistemul de încălzire și răcire (HVAC

system) bazat pe surse regenerabile a generat o scădere a necesarului de energie pentru

încălzirea și răcirea spațiului cu până la 80 % față de o clădire convențională, și cu până la 75

% față de o clădire nouă [6, 8]. Costul total al construcției nu depășește cu mai mult de 16%

costul aferent unei clădiri standard, cu o perioadă de amortizare a investiției de maximum 18

ani, în ipoteza în care costul aferent energiei va înregistra o creștere anuală de 10 % [9].

Beneficiile pe care o astfel de construcție le aduce utilizatorior sunt atât de natură

financiară cât și de confort termic. Astfel, pe lângă reducerea costurilor de exploatare, efectele

benefice resimțite de locatari pot fi cuantificate prin existența unui aer tratat, având concentrații

de CO2 și umiditate relativă în limitele acceptate (< 1%, respectiv < 60%), dispariția

mucegaiului de pe pereți și senzația de confort termic resimțit (nu apare senzația de ”picioare

reci” – cold feet).

2. Descrierea casei pasive POLITEHNICA

În anul 2011, ca urmare a unui proiect de cercetare1, a fost finalizat unu duplex de case

construite conform standardelor ICP, localizat în campusul Universității POLITEHNICA din

București, pe o suprafață putin umbrită. Duplexul este format din două clădiri indentice din

punct de vedere arhitectural, fiecare cu o suprafață utilă totală de 140 m2, echipate cu sisteme

HVAC diferite. Casa Est, denumită și Casa Test (Laborator) este echipată cu un schimbător de

căldură sol – aer (puț canadian) - sistem descris pe larg în capitolul 2.1, în timp ce pentru Casa

Vest a fost aleasă soluția cu pompă de căldură geormală. Caracteristicile constructive sunt

detaliate în tabelul următor:

Tabel 1. Caracteristicile de proiectare ale casei studiate

Arie

construită

Arie încălzită

utilă

Volum de

aer

Aria anvelopei

interior

Aria suprafeței

vitrate

Număr

ocupanți

94 m2 140 m2 435,3 m3 406,6 m2 32,02 m2 4 persoane

Orientarea casei pasive este N-S, cu raportul Svitrat/Stotal următor:

- Fațada sudică: 0,29

- Fațada vestică/estică: 0,13

- Fațada nordică: 0,07 [10]

Anvelopa clădirii conține o fațadă ventilată, cu rol izolator suplimentar, asigurând astfel

circulația naturală a aerului prin orificii de 50 mm și evitându-se acumularea umidității în

izolația termică. Materialele ce compun anvelopa clădirii (atât elementele opace cât și cele

vitrate) prezintă proprietăți termo-fizice superioare, și sunt prezentate în tabelul 2. Pereții

exteriori au o grosime totală a izolației de 300 mm, prezentând un coeficient global de schimb

de căldură calculat la 0.122 W/m2/K. Acoperișul a fost izolat cu un strat de vată minerală de

400 mm, având coeficientul U de doar 0.107 W/m2/K, iar padoseala are o grosime de 150 mm

pe podea (primul strat) și un coeficient global de schimb de căldură total de 0.114 W/m2/K.

Acoperișul conține în interior un strat de aer, având rol de barieră radiativă, reducând

semnificativ transmiterea radiației solare câtre interior, evitându-se în acest mod supra-

încălzirea casei în anotimpul cald.

Suprafețele vitrate sunt compuse din geamuri în strat triplu, (spațiile interioare sunt

umplute cu Argon 90%) având coeficienți globali de schimb de căldură totali de 0,6 W/m2/K

și coeficienți totali de absorbție solară de aproximatix 0,5. Geamurile ”double low-E„ conțin

ambele suprafețe tratate în vederea menținerii confortului termic pe tot parcursul anului.

Suprafața exterioară a geamului împiedică radiația termică solară cu lungime de undă mare să

străbată vitrajul, reflectând-o, reducând în acest mod câștigul de căldură în surplus. Pe timp de

iarnă, suprafața interioară minimizează transferul de căldură dinspre interior. Coeficientul

global de schimb de căldură al ramelor este sub vloarea limită impusă de către ICP pentru zona

climatică în care se află construcția (< 0,8 W/m2/K).

1 Proiectul de inovare intitulat ”Case pasive adecvate condițiilor climatice din România” (contract 214/2008 UEFISCDI), având ca parteneri: Institutul de Studii și Proiectări Energetice (ISPE), Universitatea POLITEHNICA din București (UPB), Univeristatea de Arhitectură și Urbanism ”Ion Mincu” (UAIM), Univeristatea Tehnică de Construcții București (UTCB), Academia Oamenilor de Știință din România (AOSR), și un partener din mediul privat (AGECOM)

Tabel 2. Proprietățile termo-fizice ale anvelopei [11] Componentă

anvelopă

Element Suprafață

[m2]

Grosime

[mm] λ

[W/m/K]

Pereți

Aco

per

iș Tencuială

182.52

22 0.8

Beton armat 130 1.74

Vată mineral 400 0.04

Coeficient U = 0.107 [W/m2/K]

Ex

terio

r Tencuială

182.52

22 0.8

Zidărie Ytong 250 0.27

Vată minerală 300 0.04

Coeficient U = 0.122 [W/m2/K] P

ard

ose

ală

Parchet

94.40

22 0.2

Placă OSB 8 0.13

Mortar 50 1.1

Placă

termoizolatoare ESP

150 0.04

Beton armat 120 1.74

Polistiren extrudat 180 0.04

Mortat 50 1.1

Coeficient U = 0.114 [W/m2/K]

Perete

com

un

Tencuială

86.72

22 0.8

Zid cărămidă 250 0.8

Tencuială 22 0.8

Fere

stre

Componentă Suprafață

[m2]

Coeficient

g

Coeficient

U [W/m2/K]

Geam low-E strat

triplu Saint Gobain 29.17 0.5 0.6

Rame Rehau - 0.78

Ușă Ușă Rehau 2.19 - 0.8

Casele pasive au o arhitectură identică, fiecare amplasament fiind compus din 2 etaje

(parter + etaj). La parter se află camera de zi cuplată cu o bucătărie deschisă, o baie și o cameră

tehnică echipată cu infrastructura pentru achiziția datelor colectate de la senzori, boiler

acumulator de apă caldă menajeră de 200 litri, și recuperatorul de căldură. Etajul este alcătuit

din 2 dormitoare, având dimensiuni diferite (12,6 m2 dormitorul Nord-Est și 17,6 m2 dormitorul

Sud-Est), o cameră amenajată pe post de birou (cu suprafața totală trată 12,43 m2), un depozit

și 2 băi. Planșeele ce separă cele 2 etajle au în componență un strat de 50 mm de izolație fonică

pentru a asigura confortul auditiv.

Fiecare casă este prevăzută cu un sistem mecanic de ventilație, cu ajutorul căruia aerul

proaspăt este introdus în camerele unde se desfășoară activitatea (living room, cameră tahnică

și dormitoare), în timp ce aerul viciat este extras din celelalte camerele (bucătărie și băi).

Egalizarea presiunii se face cu ajutorul unor guri de transfer cu reglaj situate la partea inferioară

a ușilor ce permite o circulație naturală a aerului între camere. Deoarece sufrageria are cea mai

mare suprafață (70 m2), această cameră este prevăzută cu 2 guri de admisie a aerului, plasate

în partea nodică și sudică.

Beneficiile unui astfel de sistem de ventilație sunt expuse de Feist [12], care subliniază

următoarele caracteristici:

- Nu se poate obține o eficiență crescută daca geamurile se deschid aleatoriu

pentru aerisirea camerei, pierderile de căldură către exterior crescând foarte mult;

- Aerul exterior prezintă o calitate inferioară comparativ cu aerul tratat prin

filtrele sistemului;

- Etanșeitatea crescută crește riscul ”sufocării” clădirii, rata de schimburi de aer

prin deschiderea ferestrelor fiind insuficientă pentru o ventilare totală a casei;

- Se poate utiliza în aceste condiții soluția de încălzire cu recuperare de căldură.

Aerul tratat este circulat în interiorul casei cu ajutorul ventilatoarelor din interiorul

recuperatorului de căldură, fiecare ventilator având 3 trepte de viteză, vehiculând un debit de

aer cuprins între 60 și 200 m3/h. Aerul circulă printr-un sistem ramificat de țevi din inox,

amplasate în interiorul pereților, ce fac legătura între camera tehnică si fiecare cameră în parte

și difuzia aerului în camere are loc prin guri speciale pentru ventilație mecanică. Diametrul

interior al țevilor este de 200 mm și sunt izolate cu vată minerală la exterior pentru a minimiza

pierderile de căldură pe traseu.

Distribuția camerelor pe cele 2 etaje și a senzorilor wireless în camere este prezentată

in figura 3.

Figura 3. Planul casei pasive UPB și poziționarea senzorilor wireless

2.1. Sistemul HVAC din casa Laborator

Sistemul utilizat în pentru climatizarea aerului în casa Laborator este compus din 2

schimbătoare de căldura: un schimbător de căldură sol-aer și un schimbător de căldură aer-aer

cumplat la sistemul de ventilație mecanică al clădirii. Pentru perioadele de vârf, când sistemul

de încălzire nu poate asigura temperatura de confort, sufrageria și cele două băi de la etaj sunt

echipate cu panouri termice radiative, cu o putere maximă de 3 kW fiecare.

2.1.1. Schimbătorul de căldură sol-aer (puț canadian)

Clima din România este caracterizată de variații mari a temperaturii exterioare pe

parcursul unui an, dar este cunoscut faptul că temperatura în interiorul pământului, chiar și la

adâncimi mici, este pozitivă, indiferent de anotimp. Această caracteristică termică a solului este

utilizată la maximum prin montarea unui sistem de țevi la adâncimi relativ mici (2-4 m), ce au

rolul de a precondiționa aerul înainte de a fi utilizat în clădire. Avantajele unui astfel de sistem

sunt cuantificate prin reducerea sarcinii de vârf a necesarului energetic pentru încălzire și

răcire, evitatarea pericolul de îngheț, pe timp de iarnă, a echipamentelor din amonte și o

pretratare a aerului cu ajutorul filtrelor și a inserațiilor cu ioni de argint din interiorul țevilor.

Pentru a avea loc un transfer termic eficient, lungimea, numărul tuburilor și viteza de

curgere a aerului atmosferic trebuie stabilite din faza de proiectare, în funcție de suprafața

tratată a clădirii și condițiile atmosferice.

Conceptual, acest schimbător de căldură, denumit în literatura de specialitate și „puits

canadien„ (puț canadian), este format dintr-un turn de admisie a aerului, un colector geotermal

și un sistem de drenare a condensului apărut în interior. Turnul de admisie este echipat cu un

filtri și un ventilator de mică putere, cu rolul de a aspira aerul de admisi și de a-l circula prin

pământ. Este recomandată poziționarea turnului de admisie într-o zonă ferită de diverși poluanți

atmosferici (noxe provenite de la gazele de eșapament) și cu puțină vegetație pentru a scadea

riscul de înfundare. Colectorul geotermal este cea mai importantă componentă a puțului

canadian, el realizând transferul termic între sol și aer. Există mai multe variante constructive

pentru colectorii geotermali, printre acestea putând fi menționate cele cu colectori rigizi

(utilizând betonul ca si material constituent) și cele cu colectori flexibili (de exemplu colectori

geotermali din polipropilenă). Sistemul de drenaj a condensului este important pentru a asigura

calitatea superioară a aerului tratat. Formarea condensului în interiorul țevilor conduce la

apariția bacteriilor și a fungilor, contaminând aerul circulat.

Varianta aleasă pentru casa studiată conține un colector geotermal plasat la 2,5 m

adâncime, ce preia aerul din zona fațadei nord și are un traseu în formă de ”U” pe partea estică

a casei, zonă puternic influențată de condițiile meteorologiec. Țeava colectorului este din

polipropilenă de înaltă densitate, având un coeficient global de schimb de căldură de 0,28

W/m2/K, un diametru interior de 200 de mm (grosimea țevii de 7,8 mm), și o lungime totală de

38 m (valori oținute în baza unei evaluări tehnico-economică [13]). Pentru purificarea aerului,

interiorul țevii are inserții de ioni de argint și este construit având o pantă de 15o în vederea

scurgerii condensului, care apoi este pompată către un turn de condens, situat pe partea nordică

a casei (figura 4).

Figura 4. Configurația schimbătorului de căldură sol-aer [14]

Simulările [14, 15] au indicat faptul că utilizarea acestui schimbător de căldură în

vederea preîncălzirii aerului proaspăt, au redus sarcina termică cu 17% și necesarul termic de

vârf cu mai mult de 20%.

2.1.2. Schimbătorul de căldură aer-aer (recuperator de căldură)

Pentru a scădea necesarul de energie pentru încălzire, puțul canadian este cuplat la

sistemul de ventilație al casei, în componența căruia se află cel de-al doilea schimbător de

căldură. Acest recuperator de căldură este utilizat pentru a transfera o cantitate importantă de

căldură de la aerul evacuat către aerul proaspăt și are o eficiență maximă de 91%. Pentru a

asigura o circulație continuă a aerului în interiorul clădirii, recuperatorul este echipat cu câte

un ventilator pentru fiecare flux de aer, fiecare cu trei trepte de putere, putând fi vehiculat un

debit de aer cuprins între 60 și 200 m3/h. În interiorul recuperatorului de căldură, aerul curge

în contra curent, fără a se amesteca. Traseul aerului proaspat este prevăzut cu un cu un filtru

pentru o purificare suplimentară a aerului.

Pe perioada de vară, aerul are o temperatuă optimă la ieșirea din puțul canadian (valori

cuprinse în general între 20 – 22 °C), fiind nejustificat transferul termic din interiorul

recuperatorului. Pentru a putea diminua efectul supraîncălzirii casei pe timpul verii, a fost

montat în cadrul recuperatorului, un bypass acționat de 2 clapete cu electromotor. Astfel, aerulu

viciat este evacuat direct, fără ca acesta să mai fie introdus în recuperator, obținându-se astfel

o temperatură în limitele acceptate o perioadă cât mai lungă.

Pentru perioadele când temperatura exterioară este foarte scăzută și sistemul prezentat

nu poate oferi condițiile de confort termic optime (minim 20 oC), a fost montată o rezistență

electrică pe țeava de ieșire a aerului din recuperator. Rezistența electrică are o putere nominală

de 2,4 kW și poate fi reglată în funcție de un termostat propriu, sau poate funcționa sub acțiunea

unui senzor de temperatură amplasat pe gura de admisie a aerului în sufraferie.

Figura 5. Sistemul HVAC și poziționarea senzorilor cu fir

În figura 5 este reprezentată o schemă a întregului sistem HVAC al casei pasive

analizate, realizată in Google SketchUP cu ajutorul add-in-ului 3Skang. Aerul proaspăt

(reprezentat cu culoare albastră) este aspirat din mediu exterior, curge prin puțul canadian, apoi

intră în recuperator unde are loc al doilea trasnfer termic. Aerul viciat (reprezentat cu roșu) este

colectat, circulat prin recuperator, apoi evacuat în atmosferă.

2.2. Sistemele de producere apă caldă menajeră și energie electrică

Casa este echipată cu un sistem termic cu panouri solare ”Rehau Solect WK 1S” de

încălzire a apei calde menajere dimensionat pentru 4 persoane, compus din următoarele

echipamente:

- Colector vană a 2,55 m2

- Capac și dop de închidere ¾"

- Set de aerisire

- Grup de pompare 6-20 cu set de racordare pentru vasul de expansiune

- Vas de expansiune de 18 l

- Regulator solar SC100

- Boiler acumulator apă caldă monovalent de 200 l

- Canistră agent termic de 25 l

- Set conducte racordare colectori

- Rezistență electrică de încălzire

O parte din energie electrică utilizată pentru operarea locuinței este produsă cu ajutorul

panourilor fotovoltaice amplasate pe acoperis la o înclinație fixă de 15o. Sunt 13 panouri

fotovoltaice cu o putere nominală de 2,9 kW, acoperind o suprafață totală de 22 m2. Pentru casa

studiată s-a optat conexiunea la rețeaua electrică interna din Universitatea POLITEHNICA

București, eliminându-se astfel necesitatea implementării sistemelor de înmagazinare a

energiei produse. La panoul centrat sunt montate 2 contoare electrice ce măsoară ambele

fluxuri energetice (energia injectată în rețea în perioadele de supra-producție și energia

consumată din rețea în momente de producție insuficientă sau zero), putându-se realiza un

bilanț energetic global.

Invertorul ce realizează conversia curentului continuu produs în curent alternativ

utilizat în casă este situat în camera tehnică și oferă date în timp real privind puterea și energia

produsă, tensiunea, intensitatea curentului și temperatura de funcționare. Datele tehnice ale

panourilor și inverterului sunt prezentate în tabelul 3.

Tabel 3. Datele tehnice ale panourilor fotovoltaice și a inverterului

Parametru (Panouri fotovoltaice) Parametru (Invertor)

Model SCHOT POLY 225 Model POWER ONE Aurora

Putere nominală 2.9 kW Putere nominală 3.0 kW

Număr de panouri 13 Tensiune de operare 120-580 V

Suprafața activă totală 22 m2 Număr 1

Orientarea Sud Frecvență de operare 50/60 Hz

Unghi de înclinație 15º - -

Eficiență 13.4% - -

2.3. Sistemul de monitorizare al casei

Casa pasivă este echipată cu un sistem de achiziție de date compus din senzori – atât cu

fir cât și wireless (măsurând următorii parametrii: temperatura exterioară și interioară în diferite

puncte de interes, debitul de aer al sistemului HVAC, concentrația de CO2 interioară,

luminozitate, umiditate, radiația solară și energia consumată), un data logger și un sistem de

stocare format dintr-un server și o bază de date.

2.3.1. Senzori

Pentru a fi observată eficiența sistemului de încălzire și răcire al casei, o serie de senzori

cu fir au fost montați de-a lungul puțului canadian și a recuperatorului de căldură (figura 5)

pentru a fi monitorizată variația temperaturii. Senzorul T1 a fost montat pe fațada nordică a

casei întru-un loc protejat de acțiunea directă a radiației solare și oferă informații despre

temperatura exterioară. Temperatura solului este monitorizată cu ajutorului senzorului numit

în continuare Tground, iar eficiența puțului canadian este dată de senzorul T2 ce măsoară

temperatura în zona dintre puțul canadian și recuperatorul de căldură. Traseul aerului proaspăt

este monitorizat în continuare cu ajutorul senzorilor T3 (oferă date despre temperatura aerului

la ieșirea din recuperatorul de căldură), T4 (temperatura aerului după rezistența electrică) și T5

(temperatura aerului la ieșirea din sistemul HVAC). Temperatura în camera de zi (partea

nordică) este monitorizată cu ajutorul senzorului T8. Pe partea de aer viciat sunt montați doi

senzori (T6 și T7) la intrarea și ieșirea aerului din recuperator, pentru a putea realiza bilanțul

termic pe recuperator.

Un număr de 5 senzori ce comunică wireless au fost montați în diferite camere (figura

3) pentru a putea monitoriza confortul termic. Acești senzori oferă date despre variațiile

temperaturii, intensității luminoase și umidității și au caracteristicile tehnice prezentate în

tabelul 4. Senzorii utilizați au Tabel 4. Caracteristicile tehnice ale senzorilor wireless

Mărime Uniditate relativă Luminozitate Temperatură

Caracteristici Interval de măsură: 0-100%

Eroare de măsură: ± 2%

Interval de măsură:

0-1000 lux

Interval masura: -40 - +100˚C

Eroare de măsură: ±0.5˚C

Senzorii au încorporată o antenă externă ce permite transmiterea datelor pe distanțe

ridicate (10 – 500 m) și o baterie internă (tensiune nominală de 3 V și o capacitate de 950 mAh)

ce permite o funcționare neîntreruptă timp de 1 sau 2 ani. Informații despre nivelul de încărcare

al bateriei sunt transmise, împreună cu datele colectate către baza de date. Platforma senzorială

a senzorilor este alcătuită din cinci blocuri funcționale distincte, interconectate pe placa de

bază: un microcontroler, un transceiver radio, bloc senzorial și de măsură al consumului de

energie, sursa de alimentare cu energie electrică, interfața de programare și depanare.

Senzorii wireless transmit datele către un receptor amplasat în camera de zi, care

comunică la rândul său cu serverul prin intermediul unui cablu USB 2.0. Datele înregistrate

sunt înmagazinate în baza de date.

Pentru a putea realiza o analiză completă asupra producției energetice a panourilor

fotovoltaice, pe acoperiș este instalat un piranometru ce măsoară intensitatea radiației solare și

comunică prin cablu serial cu datalogger-ul. Piranometrul Kipp&Zonen are o temperatură de

funcționare cuprinsă între -40 și 80 ˚C, o formă sferică ce permite un câmp de vizualizare de 180 ˚,

ecran protector pentru a minimiza efectul intemperiilor și poate măsura valori cuprinse între 0 și 4000

W/m2.

Pentru a putea realiza bilanțul energetic al casei pasive, au fost montate wattmetre

pentru monitorizarea fiecărui consumator important. Wattmetrele sunt coectate la panoul de

singuranțe din casă, si comunică cu data logger-ul prin intermediul unui cablu serial RS 485.

În total sunt 7 contori de energie, conectați la următoarele grupuri de consumatori:

- E1 – lumini;

- E2 – sufragerie (inclusiv panoul radiant)

- E3 – electrocasnicele din bucătărie

- E4 – sistemul de monitorizare

- E5 – rezistența electrică

- E6 – sistemul de ventilație și recuperatorul (ventilatoare)

- E7 – baie Nord-Vest (panou radiant)

2.3.2. Data logger și baza de date

Data loggerul (Kethley 2750) este echipamentul de legătură între senzori și server (pe

care este instalată baza de date). El înregistrează datele recepționate de la senzori, având setat

un pas de timp de 10 minute, și le transmite prin conexiune serială către server, unde sunt

stocate în baza de date.

3. Analiza datelor colectate pe perioada de încălzire

Datele analizate au fost colectate cu ajutorul sistemului prezentat anterior, și perioada

analizată este 1.11.2013 – 30.4.2014. Casa pasivă a fost analizată din punct de vedere al

confortului termic și al bilanțului energetic. În primul rând, pentru o analiză completă a fost

analizată clima României. Aceasta este caracterizată de ierni friguroase, cu temperaturi multi-

anuale variind între 3 °C (zone joase) și -15 °C (zone de munte). Un an calendaristic în

București este caracterizat de o amplitudine termică de aproximativ 25 °C (-2,5 °C în Ianuarie

și 22 °C în Iulie [16]. Temperatura exterioară a fost monitorizată pe întreaga perioadă cu

ajutorul senzorului cu fir T1, rezultatele fiind prezentate în figura 6.

Pentru a o reprezentare sugestivă a datelor, graficele conțin valori medii pe 24 de ore,

atât pentru temperaturi cât și pentru bilanțul energetic.

Figura 6. Variația temperaturii exterioare în zona casei pasive (date de la senzorul T1)

În figura anterioară se poate observa variația temperaturii exterioare pe întreaga

perioadă monitorizata. Cea mai scăzută temperatură a fost înregistrată pe data de 31 Ianuarie,

având valoarea medie pe 24 de ore de -12 °C.

3.1. Confortul interior

Considerând această zi ca fiind de interes pentru realizarea confortului termic în casa

pasivă, graficul prezentat în figura 7 conține variația temperaturilor din toate camerele

monitorizare. Se poate observa că cea mai scăzută temperatură se regăsește în baia-sud, unde

nu este introdus aer proaspăt încălzit. Pe timpul nopții temperatura ajunge chiar și la valori sub

18 °C, iar media maximă este înregistrată la ora 14:00 (18,8 °C). Creșterea aceasta de

temperatură este datorată introducerii aerului proaspăt încălzit în dormitorul-sud, transferul

termic facilitând căldura să pătrundă în baie. Cele mai mari temperaturi au fost înregistrare în

birou și dormitorul-nord, unde în aceeași zi, temperatura interioară a avut o medie de peste 22

°C.

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

11/1/13 12/1/13 1/1/14 2/1/14 3/1/14 4/1/14

TEM

PER

ATU

RA

[°C

]

PERIODA [ZILE]

Figura 7. Variația temperaturii în camerele monitorizare pentru data de 31 Ianuarie 2013

Pentru a menține confortul interior prezentat anterior, pe 31 Ianuarie sistemul de

încălzire a consumar un total de 28,43 kWh (până la 93% rezistența electrică și 7%

ventilatoarele), rezultând un consum specific raportat la suprafață de 0,2 kWh/m2, reprezentând

aproximatic 1,3 % din totalul energiei consumate pe tot anul pentru încălzire.

Influența suprafeței vitrate mari pe suprafațada sudică este cuantificată în diferența de

temperatură înregistrată între cei doi senzori din sufragerie (senzorul wireless W1 – măsoară

partea sudică a camerei și senzorul cu fir T1 – măsoară temperatura dinstre fațada nordică a

casei). Diferența medie de temperatură pe 24 de ore măsurată a fost de 1,47 °C, înregistrând un

maxim de 1,85 de grade în jurul orei 11:00, datorită radiației solare mai puternice (cer senin)

și a geamurilor cu un coeficient al absorbției solare mare (coeficient g = 0,5), care au dus la o

creștere de temperatură sesizabilă în partea sudică a camerei.

Figura 8. Diferența de temperatură măsurată în living între cei doi senzori (31.12.2014)

1.20

1.30

1.40

1.50

1.60

1.70

1.80

1.90

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

TEM

PER

ATU

RA

[°C

]

PERIOADĂ [ORE]

În contiuare este prezentat un studiu făcut asupra eficienței sistmeului de încălzire și

ventilație (puțul canadiat și recuperatorul de căldură). Pentru o analiză detaliată, pentru data de

31 Ianuarie 2013, variațiile de temperatură pe traseul aerului au fost redate cu un pas de

discretizare de o oră. În Figura 9 se poate observa câștigul de căldură de provenit de la sol, cât

și din recuperatorul de căldură. Astfel, chiar și în condiții extreme (temperatura exterioară de -

16,3 °C), temperatura de intrare în sistemul de ventilație mecanică cu recuperare de căldură se

stabilizeaza, înregistrând valori între 6,1 și 6,6 °C. Acest lucru este datorat faptului că

temperatura solului, înregistrată la 2,5 m adâncime a avut valori relativ constante (variind între

7,1 și 7,3 °C, indiferent de temperatura exterioară). La ieșirea din recuperator, aerul proaspăt

are o variație termică cuprinsă între 18,27 °C și 21,24 °C. Traseul aerului viciat este caracterizat

de o scădere termică de la maxim 20,6 °C (la intrarea în recuperator) la minim 13 °C (la ieșirea

din recuperator). Eficiența recupetorului a înregistrat valori cuprinse între 89 și 91%.

Figura 9. Variația temperaturii pe întregul sistem HVAC

Concentrația de dioxid de carbos este monitorizată în sufragerie. Conform îndrumarelor

de specialitate, concentrația interioară de CO2 în medii neindustriale (case, clădiri de birouri,

școli), trebuie sa fie menținută în intervalul 400-1500 ppm [17]. Concentrația de CO2 din casa

pasivă înregistrează valori scăzute pe timpul nopții, dar crește în timpul zilei când este ocupată.

În condiții normale de fincționare (patru locuitori), concentrația nu a depășit valoadea de 750

ppm (Figura 10).

Figura 10. Variația concentrației de CO2 pe parcursul a 7 zile obișnuite

Pentru o mai analiză mai amănunțită asupra eficienței de recirculare a aerului, următorul

experiment a fost demara în casa pasivă analizată: puterea ventilatoarelor recuperatorului a fost

setată la 24 W, însemnând vehicularea ununi debit de 85 m3/h are (treapta a doua de

funcționare) și pe durata a două ore (de la 12:00 la 14:00) a fost ținut un seminar cu un grup de

21 de studenți. După cum se obsevă în figura 11, concentrația de CO2 a fost înregistrat o

creștere bruscă, până la valoarea de 1950 ppm, la ora 14:00, urmând ca să revină la valorile

inițiale după aproximativ 6 ore de ventilație, indicând o eficiență crescută a sistemului.

Figura 11. Variația concentrației de CO2 pe durata experimentului

3.2. Consumul de energie

Consumul de energie a fost achiziționat cu un pas de timp de 24 de ore. Simulările

realizate pe casa pasivă [18, 19, 20] au indicat un necesar energetic pentru a menține confortul

termic interior pe perioada iernii de 14,48 kWh/m2/an, în ipoteaza utilizării unui sistem ideal

de încălzire. Măsurătorile efectuate au indicat că, pe întreaga durată a utilizării încălzirii,

consumul energetic necesar menținerii unei temperaturi interioare cu o valoarea peste 20 °C a

fost de 14,88 kWh/m2/an. Consumul zilnic de energie pentur încălzire este detaliat în figurile

500

550

600

650

700

750

800C

on

centr

ația

de

CO

2(p

pm

)

Timp [zile]

500

1000

1500

2000

Conce

ntr

ația

de

CO

2(p

pm

)

Timp [ore]

următoare (Figura 12 - Figura 17). Cu linie continuă roșie a fost reprezentată variația

temperaturii interioare, cu linie albastră variația temperaturii exterioare și cu bare transparente

consumul de energie aferent menținerii temperaturii interioare la valoarea doriă. La începutul

perioadei monitorizate, temperatura de confort a fost atinsă fără utilizarea sistemului de

încălzire, datorită interției termice crescute a anvelopei clădirii. De la 1.11 până pe 10.11,

consumul de energie a fost datorat exclusiv ventilatoarelor utilizate recirculării aerului în

interior, rezisteța electrică fiind oprită. Consumul total de energie pentu această perioadă a fost

de 227 kWh (1,65 kWh/m2/an).

Figura 12. Consum energetic Noiembrie

Figura 13. Consum energetic Decembrie

Figura 14. Consum energetic Ianuarie

Figura 15. Consum energetic Februarie

Figura 16. Consum energetic Martie

Figura 17. Consum energetic Aprilie

În Decembrie, energia totală consumată pentru încălzire a fost de 536 kWh (3,82

kWh/m2) și consumul maxim a fost înregistrat în Ianuarie, cu un total de 541,81 kWh (3,87

kWh/m2). În Februarie, datorită faptului că au fost doar 28 de zile, consumul de energie total a

fost de 435 kWh, respectiv 3,1 kWh/m2. În Martie și Aprilie, consumul energetic a fost relativ

scăzut datorită temperaturilor exterioare ridicate pentru aceaeastă perioadă (1,97 kWh/m2 și

0,47 kWh/m2 respectiv).

Numărul de ore în care rezistența electrică a funcționat a fost minimizat datorită

sistemului de automatizare. Astfel, numărul total de ore de funcționare a fost de 783 de ore,

însemnând 18 % din perioada totală monitorizată. După cum se observă în Figura 18, pe 31

Ianuarie s-a înregistrat cel mai mare număr de ore de funcționare (12 ore în total), iar media de

funcționare a fost de doar 4,3 ore/zi pe întreaga durată de monitorizare.

Figura 18. Numărul de ore de funcționare a rezistenței electrice

Consumul total de energie în clădire este compus din energie consumată pentru

încălzire și ventilație, electrocasnice, sistem de monitorizare și iluminat. În perioada

monitorizată (1.11.2013 – 31.04.2014), consumul total de energie a fost de 5396 kWh (38,5

kWh/m2). Din aceasta, 11% a fost consumată de sistemul de achiziție al datelor, 41 % a fost

utilizată în sufragerie și doar 3 % în bucătărie. Consumul mediu din sufragerie a fost de 12.3

kWh/zi, datorită faptului că există un număr mare de calculatoare, monitoare și aici au loc

activități de cercetare. Detaliile se regăsesc în tabelul următor:

Tabel5. Energie contorizată de wattmetre

Lumini

[kWh]

Living

[kWh]

Bucătărie

[kWh]

Sistem de

monitorizare

[kWh]

Rezistența

electrică

[kWh]

Ventilatoare

[kWh]

Baie

[kWh]

Wattmeter E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7

Nov 34.2 210.5 26.3 94 169.8 57.2 1.1

Dec 24.1 635.8 8.4 111.2 473.5 62.6 68.3

Jan 23.5 596.8 103.6 105.1 479.2 62.6 44.1

Feb 18.3 622.4 17.9 94 379.1 56.6 14.8

Mar 25.9 122 19.7 104.5 214.6 62.6 16.3

Apr 22.3 39.4 2.5 100.4 5.6 60.6 4.3

Total 148.3 2,227 178.6 609.3 1,721.7 362.1 148.9

3.3. Bilanțul de energie

Producția de energie este monitorizată cu ajutorul software-urului invertorului. Energia

totală utilizată din sistemul de producție al energiei regenerabile a fost de 441 kWh pe durata

monitorizării. Ceea mai mică pondere a fost înregistrată în Ianuarie, datorită faptului că

-

2

4

6

8

10

12

14N

um

ăr d

e ore

pe

zi

Perioada [zile]

panourile au fost funcționale doar 20 de zile (de pe 6 până pe 26 Ianuarie), restul zilelor fiind

acoperite de zăpadă, după cum este detaliat în Figura 19.

Figura 19. Producția zilnică de energie

Ziua în care a fost înregistrată cea mai ridicată producție a fost pe 26 Aprilie, când

panourile au podus 7,89 kWh (6% din totalul produs în luna respectivă), datorită radiației solare

ridicate și numărului mare de ore de funcționare a sistemului (14 ore) – dataliat în figura 20.

Figura 20. Radiația solară și puterea produsă panorui în data de 26 Aprilie

0

1

2

3

4

5

6

7

8

11/1/2013 12/31/2013 3/1/2014 4/30/2014

Ener

gy [

kW

h]

Time [Month]

0

200

400

600

800

1,000

1,200

1,400

1,600

0

200

400

600

800

1,000

1,200

0:00 4:48 9:36 14:24 19:12 0:00

Pute

rea

PV

[W

]

Rad

iați

a so

lară

[W/m

2]

Perioada [minute]

Solar radiation PV Power

În această zi, puterea maximă ieșită din sistemul fotovoltaic a fost de 1240 W

(corespunzătoare radiației termice maxime – 1000 W/m2.

Pe întreaga perioadă de monitorizare, panourile fotovoltaice au acoperit 8,17 % din

energia totală consumată de casa pasivă, având un maxim în Aprilie, când procentul a fost de

57% din energie consumată în luna respectivă (datorită faptuli că rezistența electică a fost oprită

- Figura 17. Detaliile sunt prezentate în tabelul următor:

Tabel9. Bilanțul energetic pe perioada de monitorizare

Lună Noiembrie Decembrie Ianuarie Februarie Marite Aprilie Total

Consum [kWh] 539.1 1383.9 1414.9 1203.1 565.6 235.1 5395.7

Producție [kWh] 53.4 39.6 24.6 64.3 125.3 133.7 440.9

Procent [%] 9 2.86 1.73 5.34 22.15 56.87 8.17

În luna Aprilie au fost înregistrate 7 zile în care bilanțul energetic a fost pozitiv,

producția fiind mai mare decât consumul, surplusul fiind injectat în rețea. Astfel, cea mai mare

cantitate stocată în rețeaua internă a UPB-ului a fost pe 21 Aprilie, cand 22,42% din energie

produsă a fost injectată în rețea. În figura 21 sunt detaliate zilele în care producția a fost mai

mare decât consumul energetic (barele cu roșu).

Figura 21. Distribuția sursei de energie consumate în casa pasivă

4. Concluzii

Acest studiu a fost efectuat pentru a se evidenția comportamentul unei clădiri consturite

în conformitate cu standarul caselor pasive la clima din România, pe perioada de încălzire. S-

a evidențiat un consum foarte redus de energie pentru încălzirea spațiului (o reducere de

aproxiamtiv 90% față de media din România), fără a altera confortul interior.

Consumul total de energie a fost de 38,6 kWh/m2, ținând cont și de sistemul de

monitorizare, sistem inexistent la o clădire standard (consumul fără sistemul de monitorizare a

fost de 34,2 kWh/m2). Energia consumată pentru încălzire a fost de doar 14,88 kWh/m2/an,

însemnând 39% din totalul energetic consumat, valoare ce se încadrează în cerințele Institului

Caselor Pasive de la Darmstadt.

Importanța producerii energiei insitu din surse regerenabile este stipulată în definiția

clădirilor cu un consum energetic aproape zero, emisă de Consiliul European prin Directiva

Performanțelor energetice ale Clădirilor [21]. Sistemul de panouri fotovoltaice a acoperit 8,17

% din energia totală consumată în casa pasivă, iar în Aprilie procentul de apoerire a fost maxim,

pentru perioada monitorizată, înregistrându-se 56,87 %. Acest lucru ne permite să extrapolăm

fenomenul și să estimăm faptul că, pe perioada verii, în funcție de condițiile climatice,

producția va acoperi întreg consumul energetic din casa pasivă.

În continuare se va realiza un studiu asupra comporamentului casei pasive în perioada

de răcire, cunoscându-se problema supra-încălzirii a clădirilor cu o inerție termică mare în

anotimpul rece

Bibliorafie

[1] Dfiniția Caselor Pasive

Website: http://www.passivhaustagung.de/Passive_House_E/passivehouse_definition.html

[2] Heyduk E., From Low-Energy House to the Passive House, International Passive House Summer

School for students, IG Passivhaus Karnten, 2009

[3] IEEA (The ‘Passive-On’ Project). The passivhaus standard in European warm climates. Part 1-4

(2007).

[4] Sustainable Energy Ireland (SEI ), Passive homes – Guidelines for the design and construction of

passive house dwellings in Ireland, page 1, 2007

[5] K. Thullner, Low-Energy buildings in Europe – Standards, criteria and consequences. A study of

nine European countries. PhD thesis, 2010.

[6] Passipedia, Basics

Website: http://passipedia.passiv.de/passipedia_en/basics

[7] H.F. Kaan, B.J. Boer, Passive Houses: Achievable Concepts for Low CO2 Housing, ISES

Conference 2005, Orlando, USA, September 2005

[8] W. Feist, J. Schnieders, V. Dorer, A. Haas, Re-inventing air heating: Convenient and comfortable

within the frame of the Passive House concept, Energy and Buildings, vol. 37, issue 11, 2005, pp.

1186-1203

[9 ] Audenaert, S.H. De Cleyn, B. Wankerckhove, Economic analysis of passive houses and low-

energy houses compared with standard houses, Energy Policy 36, pages 47-55, 2008

[10] Anastasiu Madalina, Milandru Adriana “Case pasive adecvate conditiilor climatice din

Romania”

[11] Vladimir Tanasiev, „Contribuții la dezvoltarea conceptului de clădire inteligentă cu înaltă

eficiență energetică„ teză de doctorat, 2012

[12] Wolfgang Feist, Ventilation in Passive House – only High Efficiency Will Work: Passive House

Institute.

Website: http://www.passivhaustagung.de/Passive_House_E/passive_house_ventilation.html

[13] Gabriela Vlad, Constantin Ionescu, Horia Necula, Adrian Badea, Thermoeconomic design of an

earth to air heat exchanger used to preheat ventilation air in low energy buildings, International

Conference on Energy, Environment, Entrepreneurship, Innovation, Lanzarote, Spania, 27-29 mai

2011, p.11-16

[14] G. Vlad, C. Ionescu, H. Necula, A. Badea, Simulations of an air heating/cooling system that uses

the ground thermal potential and heat recovery, U.P.B. Scientific Bulletin, Series C, vol. 75, issue 3,

2013, ISSN 2286-3540

[15] C. Ionescu, HVAC solutions for the passive houses from University POLITEHNICA of

Bucharest, International Energy-Environment Conference (CIEM), 2011

[16] National Oceanic and Atmospheric Administration – NOAA. "Bucharest Baneasa Climate

Normals 1961-1990"

[17] ASHRAE Handbook I-P Edition, Indoor Environmental Health, page 10, 2001

[18] V. Tanasiev., Contributions to the development of intelligent building concept with high energy

efficiency, PhD thesis, 2012

[19] V. Tanasiev, B. Carutasiu, A. Badea, Dynamic simulation of energy consumption for a passive

house in Romanian climate conditions: a case study, International Conference on Energy and

Environment – CIEM 2013, Bucharest

[20] B. Carutasiu, V. Tanasiev, C. Ionescu, A. Badea, Nearly zero energy buildings in temperate

continental climate – a case study for Romania, Colloque Franchophone en Energie, Environment,

Economie et Thermodynamique – COFRET, 2014, Paris

[21] DIRECTIVE 2010/31/EU OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL 19

May 2010 on the energy performances of buildings (recast)