cursenergiineconventionale

Sisteme de generare şi valorificare a energiei din surse regenerabile şi deşeuri energetice

Conf. Dr. Ing. Victoria COTOROBAI | Curs an IV Instalaţii pentru Construcţii

III

1

Capitolul I.

Contextul general.

1.Energia. Concept. Definiții. Principii generale de acțiune.

Inter-relații energie-mediu-om.

1.1. Repere istorice în evoluţia conceptului de Energie

Conceptul a cunoscut mai multe sensuri de-a lungul istoriei sale:

La început, Kepler a desemnat prin termenul de energie „puterea care emană din corpuri”;

În 1665, G.W. Leibnitz a introdus termenul de „vis viva“ (forţa vie) pentru a desemna cantitatea mv2 care apărea în calculele lui mecanice, prin analogie cu termenul de „forţă“, folosit de I. Newton pentru produsul ma: alegerea sa nu a fost prea inspirată.

În 1673, C. Huygens observă că în timpul ciocnirii a două sfere perfect elastice, suma produselor dintre masa şi pătratul vitezei acestora, înainte şi după ciocnire, rămâne constantă.

În 1807, Th. Young a făcut trecerea de la forţa vie la energie, conceptul căpătînd sensul actual;

W. Thomson (viitorul lord Kelvin) introduce termenul de „energie cinetică“,

Rankine introduce termenul de „energie potenţială“.

Cu sensul de „energie termică” a fost folosit termenul de „căldură” într-un dublu sens: ca „energie internă“ (Claussius) şi ca „mărime de proces“ în sensul de căldură transferată de la un corp la celălalt1.

În 1826, J.V. Poncelet introduce termenul de „lucru mecanic“: se crează premizele pentru descoperirea legii conservării energiei.

În 1853, W. Thomson propune o definiţie pentru energie.2

În 1897, M. Planck defineşte „energia” ca fiind „aptitudinea unui sistem de a produce efecte exterioare“.3

1.2. Definiţia Energiei

Etimologic, cuvântul „energie“ are la bază cuvintele de origine latină „energia“ şi de origine greacă „enerhia“, care aveau înţelesul de „activitate“.

În DEX: energia este definită ca fiind „capacitatea unui sistem fizic de a efectua lucru mecanic, la trecerea dintr-o stare în altă stare“,4.

Conceptul de „energie“ este fundamental, datorită legăturii existente între materie şi mişcare, precum şi datorită producerii şi transformării diferitelor forme de mişcare ale materiei5.

1 Aceste accepţiuni ale termenului de căldură trădează menţinerea modelului de fluid, dar şi extinderea acestui model asupra conceptului de energie nou introdus. De atunci au rămas în terminologia tehnică termeni cum ar fi: pierderi de energie, stocare de energie, economie de energie şi alte expresii care sugerează existenţa unei „materii imateriabile“ distinctă de sistemele fizice. 2 „Numim energie a unui sistem material aflat într-o stare determinată, contribuţia măsurată în unităţi de lucru a tuturor acţiunilor produse în exteriorul sistemului, dacă acesta trece (indiferent în ce mod) din starea sa într-o stare fixată arbitrar“. 3 Deci, energia este o funcţie de stare. Prin energia unui corp (sau a unui sistem de corpuri) se înţelege o mărime care depinde de starea fizică instantanee în care se găseşte sistemul. Planck subliniază de asemenea faptul că variaţia elementară de a energiei este o diferenţială totală exactă, adică variaţia energiei depinde doar de starea iniţială şi de cea finală. 4 această definiţie reflectă o anumită mentalitate mecanicistă 5 Aceste forme de mişcare se pot transforma reciproc unele în altele, în raporturi cantitative strict determinate, fapt ce a permis introducerea noţiunii de energie ca o măsură comună a lor („ceva ce rămâne constant“ - H. Poincaré).



III

2

Energia este o funcţie/ mărime de stare a unui sistem fizic. Energia defineşte calitatea schimbărilor şi proceselor care au loc în Univers, începând cu deplasarea în spaţiu şi terminând cu gândirea.

Energia este unul dintre cele mai importante concepte fizice descoperite de om.

Înţelegerea corectă a noţiunii de energie constituie o condiţie necesară pentru analiza sistemelor energetice şi a proceselor energetice în general şi a sistemelor de valorificare a resurselor energetice regenerabile şi de tip deşeu energetic în particular , în cazul prezentei lucrări.

În scopul considerării simultane, în egală măsură, a tuturor factorilor care determină condiţiile de transformare a energiei, au fost introduse noţiunile de exergie şi anergie, mărimi energetice depind de: starea sistemului de conversie, forma energiei consumate, ireversibilitatea proceselor de transformare a energiei, starea mediului ambiant.

Exergia şi anergia au caracterul unor noţiuni complementare: Exergia =partea de energie transformată fără restricţii; Anergia = partea de energie netransformabilă în energie, respectiv:

ENERGIA = EXERGIA + ANERGIA

Exergia sau energia cu capacitate nelimitată de transformare, este cantitatea maximă de energie care se poate transforma în orice altă formă de energie în următoarele condiţii: stare determinată a mediului ambiant şi reversibilitate totală a proceselor de transformare6.

Anergia sau energia cu capacitate nulă de transformare, este energia care, chiar şi în condiţii de reversibilitate totală a proceselor, nu se poate transforma în exergie (adică lucru mecanic) nici măcar parţial7.

Folosind aceste mărimi de analiză, de exemplu în calculul evoluţiei proceselor temice, rezultatele obţinute vor fi în concordanţă atât cu Pricipiile I şi II ale Termodinamicii, respectîndu-se caracterul conservativ al energiei, cât şi caracterul restrictiv referitor la sensul şi limitele posibile ale transformărilor de energie.

În cazul căldurii, energia corespunde numai acelei părţi din mişcarea termică pe seama căreia se poate obţine lucru mecanic. Deci, exergia corespunzătoare unei anumite cantităţi de căldură reprezintă partea maximă din căldura respectivă care se poate transforma în lucru mecanic, pentru o stare dată a mediului ambiant. Anergia căldurii, este acea parte din căldură ce nu se poate transforma în lucrul mecanic, în general fiind cedată mediului ambiant.

Pentru ambele forme de energie, una din cele doua componente poate fi nulă. Astfel, în cazul energiei electrice, anergia este nulă, în timp ce în cazul energiei interne corespunzătoare stării de echilibru cu mediul ambiant (la presiunea şi temperatura mediului ambiant) exergia este nulă.

Prof. dr.ing. Ion N. CHIUŢĂ face o prezentare plastică şi cuprinzătoare a aspectelor legate de noţiunea de energie, afirmând că:

„Energia se prezintă ca un cristal cu multe faţete. Cristalul este ansamblul acestor faţete, dar nici o faţetă luată singură nu îl poate explica. Faţetele acestea sunt, în cazul energiei, de natură fizică, matematică, tehnologică, economică, ecologică, sociologică, politică. Timpul apare aici ca un numitor comun, intervenind prin durate mergînd de la milioane de ani (necesare pentru formarea naturală a cărbunilor fosili), până la perioade de 30-50 de ani la care se referă evaluarile energetice obţinute. „

6 În această categorie se încadrează energia electrică, care este formată integral din exergie (anergia este nulă), iar în condiţii ideale este reversibilă integral în alte forme de energie. 7 În această categorie se încadrează, de exemplu, căldura disponibilă la temperatura mediului ambiant. Cantitatea imensă de energie înmagazinată în mediul ambiant nu prezintă interes din punct de vedere practic, deoarece exergia sa este nulă.



III

3

1.3. Principii generale

Noţiunea de energie trebuie corelată cu principiile termodinamicii, unde timpul este un parametru esenţial: principiul I - energia se conservă, principiul II - energia se degradează.

Orice politică energetică este confruntată cu problema costului energiei, iar aceasta din urmă este în ultimă instanţă o problemă de timp.

Rămânînd în limitele fixate de al doilea principiu al termodinamicii, lucrul mecanic este ales ca normă fizică pentru evaluarea conţinutului calitativ al energiei. Este vorba de cantitatea de energie, sub forma de lucru mecanic, care poate fi convertită, în ipoteza unor condiţii ideale. Începînd cu anul 1956, acest echivalent al lucrului mecanic a fost numit EXERGIE si corespunde la ceea ce, într-o terminologie mai veche, se desemna prin energie disponibilă sau energie liberă.

Procesele spontane sunt controlate de două tendinţe: o tendinţă este orientată spre atingerea celui mai scăzut nivel de energie, cealaltă tendinţă este orientată spre o stare de echilibru cu probabilitate maximă.

Când sunt utilizaţi combustibili fosili, aspectul energetic controlează procesul. Atingerea stărilor cu probabilităţi crescute (corespunzatoare unei ceşteri a entropiei) predomină procese cu un schimb energetic scăzut, cum ar fi amestecul de gaze. Într-un sistem închis (sistem care realizează numai schimburi energetice), entropia creşte atunci când procesul este ireversibil, chiar dacă procesul este controlat de energie.

Extinzînd, conceptul de exergie la care este îndeplinită numai condiţia existenţei unui mediu cu proprietăţi constante, ca în cazul clasic, exergia devine o caracteristică potenţială a oricărui sistem (de obiecte, corpuri, surse de căldură, etc.) şi intervine aici un intersant principiu de simetrie. Potenţialul exergetic trebuie sa fie o functie simetrică de obiectele în chestiune, deoarece cantitatea maximă de lucru care poate fi extrasă dintr-un sistem nu se poate modifica prin schimbarea ordinii obiectelor.

Chiar dacă nu se intră în aspectele matematice implicate aici, se pot desprinde câteva idei semnificative: Orice proces cu viteză finită este însoţit de pierderi de energie. Dar acestea sunt exact

procesele de care suntem vital interesaţi, deoarece viaţa poate fi menţinută numai dacă materialele necesare sunt obţinute cu o rată finită. Transportul presupune o viteză pozitivă, dar cu cât mergem mai repede cu atât mai mari sunt pierderile de energie.

Faptul ca entropia creşte atunci când un proces ireversibil are loc într-un sistem închis, reflectă tendinţa de a dobândi o stare energetică joasă. Într-un astfel de proces este posibil chiar ca entropia să descrească.

Entalpia (capacitatea de a produce lucru mecanic) şi exergia sunt parametrii distincţi asociaţi unui proces.

Într-un proces ireversibil, entalpia se conservă, iar exergia se degradează. Situaţia poate fi comparată cu aceea a aerului sub presiune dintr-un cauciuc de automobil. Când cauciucul se sparge, aerul şi entalpia nu se pierd, ci numai se eliberează. În legătură cu evaluarea exergiei, apare posibilitatea de a ne baza pe entalpie (asa cum se obişnuieşte) sau pe exergie. Pentru conbustibilii fosili uzuali nu apare o deosebire importantă între cele două căi. Însă, când căldura şi electricitatea sunt produse prin cogenerare, aceasta poate fi importantă. Câteva principii generale pot fi enunţate:

Energia este o abstracţie matematică, o măsură a mişcării în fenomenele de transformare a formelor în mişcare.

Energia disponibilă nu este întotdeauna sub forma dorită. Pentru a obţine forma dorită, trebuie procedat la conversie. Uzual, nu toată energia disponibilă poate fi transformată într-o altă formă de energie.

Cantitatea totală de energie rămâne neschimbată în orice transformare a formelor în mişcare - legea conservării energiei. Această lege permite deducerea modului de funcţionare a sistemului în care au loc transformări, dacă cunoaştem expresiile matematice ale diferitelor forme de energie.

Deoarece energia nu poate fi creată sau distrusă, suma energiilor care intră în proces trebui să fie egală cu suma energiilor care rezultă din proces.



III

4

Utilizarea diferitelor forme de energie implică cunoaşterea transformărilor dintr-o formă de energie în alta. S-a descoperit astfel, legea fundamentală privind ireversibilitatea în timp a fenomenelor reale, ce ne permite să aflăm câtă energie disponibilă avem. Astfel s-a introdus noţiunea de entropie (evoluţie) a cărei creştere în timpul proceselor fizice determină ireversibilitatea.

Energia defineşte calitatea proceselor, entropia defineşte sensul evoluţiei proceselor. Cunoaşterea proprietăţilor sistemelor fizice şi a legilor de desfăşurare a proceselor se face folosind noţiunile şi principiile termodinamicii (care sunt exprimările matematice ale legii conservării şi legii entropiei). Se consideră că reprezentările macroscopice constituie un sistem teoretic destul de cuprinzător pentru înţelegerea generală a lucrurilor.

1.4.Energia şi Universul

La nivelul actual de cunoştinţe şi dezvoltare tehnologică, se consideră că Universul care ne înconjoară există sub două forme: de substanţă (materie) şi câmp de forţe. Materia este caracterizată prin două mărimi fundamentale: masa şi energia. Masa este măsura inerţiei şi a gravitaţiei, iar energia este măsura scalară a mişcării materiei. Cuvântul ENERGIE are o răspândire foarte largă, dar, cu toate acestea, conţinutul concret al noţiunii nu este la fel de răspândit sau riguros analizat, datorită îndeosebi unor particularităţi mai subtile, caracteristice anumitor forme de energie. Cea mai generală definiţie, prezintă energia ca măsură a mişcării materiei. Această formulare, deşi corectă, prezintă inconvenientul unei exprimări mai puţin explicite, având în vedere diversitatea mare a formelor de mişcare a materiei.

1.5. Energia şi Informaţia

Energia mai poate fi definită şi ca o măsură a calităţii şi cantităţii schimbului informaţional din natură. O legătură între energie şi informaţie poate fi constituită şi din principiile II şi III ale termodinamicii, în special principiul II, care ne dă legătura între entropie şi energia internă a unui sistem termodinamic. Un schimb de energie cu valori destul de mari poate fi iniţiat printr-un schimb informaţional de o anume calitate. Acesta se întâmplă la începutul fiecărui Bing-Bang ce declanşează a nouă oscilaţie în planul fizic, materializată prin apariţia unui nou Univers, despre care se poate afirma cu certitudine că este dominat de aceleaşi legi ca şi Universul precedent.

Zeul indian Indra descria energia astfel: "Ştiu teribila cădere a Universului. Am văzut dispariţia oricărui lucru. De fiecare dată, iar şi iar, când ciclul se sfârşeşte. Atunci, orice atom se sfarmă în corpusculii primi ai apelor Eternităţii, care a dat naştere odinioară la tot ce există... Vai, cine poate şti numărul Universurilor dispărute fără să lase urmă şi al altora născute din aceste ape, abisuri fără formă? Cine va putea şti numărul epocilor trecătoare ale lumilor care se succed la infinit?"

Un concept foarte important în energetică este cel de transmitere a energiei. Acesta se referă la: transmirerea energiei informaţionale, care posedă o subtilitate mai accentuată, transmiterea energiei brute, de tip mecanic, termic, etc.

Echilibrul unui sistem poate fi stricat printr-un aport informaţional minim, eliberându-se astfel o parte a energiei din sistem.

Materia biologică există sub două forme: staţionară, către care tinde celula vie şi disipativă, care priveşte celula ca un sistem deschis, în afara echilibrului. Materia vie disipată îşi reface structura iniţială utilizând energia fondului de radiaţie cosmică.

Omul trebuie să facă un efort de cunoaştere interioară a sa, deoarece cunoaşterea exterioară nu poate merge mai mult decât îi îngăduie un anumit grad de autocunoaştere.



III

5

1.5. Energia şi Timpul

Energia implică aspecte dintre cele mai eterogene, teoretice şi practice, fundamentale şi aplicative. Relaţia dintre energie şi timp s-a dovedit a fi "punctul fix" la care ajunge orice discuţie despre energie, indiferent de punctul de la care porneşte discuţia: energia nu poate fi înţeleasă în afara principiilor termodinamice, unde timpul este un

parametru esenţial; orice politică energetică este confruntată cu problema costului energiei, aceasta din urmă

fiind tot o problemă de timp; transformarea energiei este legată de intervalul de timp.

Energia este corelată cu timpul, probabil se condiţionează reciproc. Relaţia energie-timp domină orice analiză în domeniul energiei, doar modul de interpretare fiind cel care diferă.

Energia poate fi asemuită cu un cristal cu foarte multe faţete. Cristalul este ansamblul acestor faţete, dar nici o faţetă luată separat nu îl poate explica. În cazul nostru, faţetele reprezintă fizica, matematica, tehnologia, economia... Timpul apare aici ca un numitor comun: toate faţetele sunt legate mai mult sau mai puţin de acesta. Toate aceste faţete formează împreună un compact - ENERGIA.

Problema energiei este strâns legată de factorul timp. Definirea conceptelor referitoare la timp conduce la o mai bună înţelegere a dinamicii unor procese şi fenomene. În literatura de specialitate se disting şase moduri în care a fost abordat timpul în energetică: Abordarea statică: evenimentele au loc într-un anumit loc, la un anumit moment; timpul nu

apare ca o variabilă. Abordarea static-comparativă: sunt comparate stări ale sistemului în două momente de

timp diferite. Abordarea timp reversibil: timpul apare ca variabilă distinctă, dar care are acelaşi statut ca

şi variabila spaţială; direcţia nu este unic definită, astfel încât trecutul şi viitorul sunt tratate simetric.

Abordarea timp ireversibil - risc: trecutul şi viitorul sunt tratate asimetric, datorită structurii asimetrice a informaţiei. Evenimentele trecute sunt cunoscute (certe), iar evenimentele viitoare sunt incerte, dar pot fi asociate cu distribuţii de probabilitate bazate pe cunoaşterea trecutului.

Abordarea timp ireversibil - incertitudine: diferenţa faţă de cazul precedent este că viitorul conţine un grad de noutate care este necunoscut, deci există evenimente viitoare pentru care nu se pot asocia distribuţii de probabilitate bazate pe cunoaşterea trecutului.

Abordarea timp ireversibil - secvenţă teleologică: pentru atingerea unui anumit scop este adesea necesară parcurgerea unei secvenţe temporale specifice (în limba greacă, teleolos înseamnă finalitate). Pentru realizarea unui produs finit, trebuie extrasă materia primă, trebuie realizate o serie de produse intermediare, etc. Procesele energetice au o anumită inerţie, a cărei caracteristică temporală depinde de scopul care trebuie atins.

La scara macrotimpului au loc substituţii şi penetrări de tehnologii de conversie: putem remarca impactul surselor noi de energie sau efectul poluării, evoluţiile preţului energiei şi mutaţiile din sistemele energetice ca urmare a modificărilor survenite în politica energetică.

Microtimpul este timpul la scara intimităţii proceselor de conversie, a transferului de căldură şi a conversiei de energie electrică. Microtimpul surprinde, caracterizează şi permite o analiză mai fină a timpului de conversie.

Astfel, se pot elabora criterii şi indicatori specifici de performanţă, care să reliefeze aspecte inedite ale conversiei şi cu ajutorul cărora să se reconsidere utilizarea unor sisteme de conversie.

1.5. Energia şi Societatea

Progresul omenirii, din cele mai vechi timpuri până astăzi, este legat de folosirea energiei. Etapele energetice ale societăţii umane au fost demarcate de apariţia: energiei hidraulice şi eoliene, în prima etapă;



III

6

energiei combustibililor, într-o etapă ulterioară; energiei nucleare.

Dezvoltarea societăţii este direct dependentă de consumul de energie. Prelucrarea statistică a corelaţiilor dintre consumul de energie, dezvoltarea industrială a societăţii şi venitul naţional arată o strânsă legătură între aceşti factori.

Caracterul limitat al resurselor energetice ridică problema opţiunilor energetice în viitor. Formele de energie primară care participă actualmente în cea mai mare măsură la satisfacerea necesităţilor energetice sunt: cărbunii, hidrocarburile lichide şi gazoase, energia hidraulică şi energia nucleară. Pe baza verificărilor şi prospecţiunilor în curs ale rezervelor de energie, acestea sunt suficiente până în anii 2010-2020. Se estimează că rezervele cunoscute de cărbune s-ar epuiza în câteva sute de ani, iar cele de gaz şi petrol în mai puţin de 50 de ani. Contrar acestor prognoze pesimiste au apărut şi păreri optimiste, care văd soluţii pentru problemele energetice cu care este confruntată omenirea. Specialiştii subliniază: tendinţa de reducere a necesităţilor de energie pentru activitatea economică, prin asimilarea

de noi procese tehnologice; tendinţa de creştere a cantităţii de energie extrase din combustibilii fosili prin creşterea

randamentului instalaţiilor; descoperirea de noi surse de energie, confirmate de cercetările care se efectuează în

numeroase laboratoare din lume; descoperirea unor inovaţii tehnologice, care vor produce importante schimbări în structura

producţiei şi consumului de energie.

Studiile efectuate pe plan mondial, privind oferta de energie şi cererea în următorii 50 de ani, au arătat că lumea va reuşi să traverseze această perioadă de criză energetică cu preţul unui efort maxim, în două etape dificile: 1. În anii ce vor urma se va trece de la hidrocarburile lichide naturale la combustibili lichizi

sintetici (de exemplu: petrolul sintetic derivat din cărbune). 2. Dezvoltarea tehnologiei de extragere a energiei din surse care pot asigura satisfacerea

necesităţilor pe termen lung, adică din resurse nelimitate: energia solară şi energia nucleară.

Un element esenţial pentru trecerea de la o resursă energetică la alta îl constituie timpul de tranziţie necesar pentru ca o formă de energie să pătrundă pe piaţă, acesta fiind pe plan mondial de aproximativ 100 de ani.

Utilizarea intensivă a combustibililor fosili a modificat substanţial nivelul de CO2 din atmosferă, rezultând o încălzire generală datorată efectului de seră. Conform estimărilor, în anul 2050, pentru satisfacerea unei cereri de energie de 50 TWan / an, temperatura Terrei va creşte cu 2°C. Un scenariu moderat, cu o cerere de 30 TWan / an, ar determina o creştere a temperaturii de 0,5°C până în 2030. Cazul extrem, care ar duce la o creştere a temperaturii cu 4°C, ar facilita topirea gheţurilor din regiunile polare. În urma analizei acestor aspecte, apar următoarele probleme: caracterul limitat al resurselor energetice, având în vedere că peste 90% din consumul

mondial de energie provine din combustibili fosili; diversele forme de poluare: chimică, termică, etc.

Una dintre soluţii constă în exploatarea de noi surse de energie, cum ar fi: energia soarelui, energia apelor termale, energia vântului, energia valurilor, energia nucleară. Se pune însă problema randamentului scăzut al instalaţiilor şi a costului de realizare. Condiţiile de mediu au un rol important în exploatarea acestor surse de energie. De exemplu, randamentul instalaţiilor care captează energia solară depinde de: felul activităţii Soarelui, latitudinea geografică, altitudinea locului, nebulozitate, umiditatea atmosferică, numărul orelor de insolaţie, poluarea atmosferică.



III

7

2.Contextul energetic, climatic, tehnologic, economic, social,

politic, geografic, și legislativ în care se defășoară cercetarea.

2.1. Contextul energetic

Explozia consumului de energie.

Omenirea a evoluat, de-a lungul istoriei sale, în diferite direcții, cu diferite ritmuri și cu diferite consumuri de resurse naturale, mai mult sau mai puțin necesare și mai mult sau mai puțin controlate.

Consumul mondial de energie a fost mult timp8 foarte stabil și rezonabil.

În 1850, când revoluţia industrială a provocat o creştere accentuată a nevoilor de energie, s-au identificat resurse de energie facil de exploatat și s-au pus bazele unei întregi industrii energetice, axată în special pe valorificarea resurselor fosile. Consumul de energie a continuat să crească exponenţial ca urmare a două efecte simultane: creşterea populaţiei și creşterea consumului de bunuri şi echipamente. Astăzi se estimează că cererea mondială pentru toate formele de energie ar trebui să crească cu 54% în următorii 20 de ani (în ţările industrializate numai 33%9) [1].

Resursele de combustibili fosili sunt limitate si distribuite inegal.

Omenirea se află în prezent în fața unor importante constrângeri energetice. Dacă se menține actualul ritm de creștere a cererii de consum, atunci orizontul de epuizare a

resurselor energetice fosile este foarte apropiat.

Figura 1: Previzionarea evolutiei consumului de energie. (sursa: Jean-Marc Jancovici, conferința PREBAT, Franța, 2006)

Estimarea orizontului de epuizare a resurselor clasice a fost făcută de organisme abilitate în

realizarea de prognoze, pe baza a diferite scenarii de consum și de dezvoltare.

Prin utilizarea unui scenariu de creștere a consumului în următorii 100 de ani, cu un procent

8 Până la declanșarea revoluției industriale 9Cererea tinde să încetiniească în ţările industrializate, dar continuă să crească în ţările în curs de dezvoltare.

Rezerva mondială ultimă: 4000 Gtep

Consum cumulat: după 2000

Rezervă prevăzută: 860 Gtepl

Consum anual



III

8

de numai 2%, previzionat pe baze stiințifice, estimarea rezervelor mondiale de combustibili fosili identificate și evaluate până în prezent, a condus la rezultate îngrijorătoare: acestea se pot epuiza in circa 100 ani -Figura 1.

Prognoza, pe tipuri de resurse fosile disponibile este și mai îngrijorătoare, în sensul că

rezervele fosile cât de cât curate au un orizont de epuizare și mai apropiat figura 2.

Figura 2. Rezerva de combustibili fosili (Sursă: BP statistical review, 1997)

Pe de altă parte, rezervele de uraniu sunt și ele limitate - la mai putin de 70 ani.

Și, pe lângă caracterul limitat al resurselor, la stabilirea politicilor și strategiilor energetice trebuie să se țină seama de distribuția geografică neuniformă a acestora (tabelul 1.).

Tabel 1. Orizont epuizare și areal geografic resurse resurse energetice fosile

(în raport cu anul 2006)

Resursă Orizont epuizare Areal geografic resurse România Global

Petrol 45 ani 63,6% din rezerva mondială se află în Orientul Mijlociu

Gaze 15 ani 63 ani 38,7-Rusia; 33,9-Orientul Mijlociu Carbune 218 ani 22,5-Rusia; 25,4-America de Nord; 21,8-China

Performanța energetică a sistemelor centralizate de generare și alimentare cu energie10 din surse convenționale este redusă.

În epoca industrializării, majoritatea clădirilor din marile aglomerări urbane și nu numai au

fost/sunt alimentate cu energie în sistem centralizat, la nivel de localitate/zonă/quartal.

Sistemele centralizate produc/produceau energia prin arderea combustibililor.

Drumul energiei înglobate în acești combustibili, în mod natural, până la procesul final de

utilizare este un drum lung care necesită o seamă întreagă de procese de:

extragere din mediu/captare, corectare caracteristici, eventual stocaj, transport, până la sursa de generare, generarea energiei/transformarea prin ardere în energie + corectarea parametrilor în

vederea transportului + eventual stocaj, transportul, eventual stocaj + transformarea parametrilor în vederea distribuției + distribuția,

10

termică + electrică + …

1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 2250 2300 2350

Petrol

Gaz

Uraniu

Cărbune

Petrol Gaz Uraniu Cărbune

An estimat epuizare resurse 2039 2062 2072 2297

An estimat epuizare resurse



III

9

eventual stocaj + corectarea parametrilor în vederea utilizării+ utilizarea și se realizează cu pierderi mai mari sau mai mici, dar oricum importante.

În acțiunile de identificare a măsurilor de reducere a degajărilor de noxe în atmosferă,

respectiv de reducere a consumurilor energetice trebuiesc identificate foarte corect, porțiunile

de pe traseul vectorului energetic cu pierderi relativ mari.

De asemenea, pentru un tablou cât mai relevant al eficienței energetice al ”consumatorilor

finali”, aceasta trebuie exprimată în raport cu energia primară utilizată.

Referitor la performanța energetică a clădirilor acest mod de exprimare poate pune în evidență

mult mai ușor și măsurile de intervenție în vederea creșterii performanței. Structura consumurilor

de energie primară înglobată într-o clădire este reprezentată sintetic în figura 3.

Figura 3. Componența consumului de energie primară aferent unei clădiri.

O analiză a randamentelor componentelor vectorului energetic care deservește o clădire într-un sistem centralizat pune în evidență faptul că energia finală este obținută cu o eficiență destul de scăzută. O masură eficientă de creștere a performanțelor ar putea fi utilizarea surselor locale de generare a energiei și evident cele regenerabile și curate.

Acest ultim aspect a fost luat în considerație de U.E. care dorește să devină lider mondial în eforturile de reducere a degajărilor de noxe și care, în strategia de dezvoltare pe termen lung a sectorului clădiri și-a fixat un țel foarte ambițios: depășirea factorului 9 (reducerea cu peste 95% a degajăilor de noxe) până în 205011. Că este posibil acest lucru o dovedește exemplul Norvegiei, care nu numai că nu depinde energetic de alte state dar își asigură majoritatea energiei din surse regenerabile (figura 4.).

Figura 4. Ponderea energiei electrice obținute din surse de energie regenerabilă în balața energetică a

statelor membre UE. Sursa : Anuarul Eurostar, 2009.

In structura consumului de energie primară din U.E. din ultima perioadă se poate constata deja o

consecință a măsurilor de reducere a degajărilor de noxe/consumului de energie/consumului de

combustibili convenționali luate prin politicile energetice ale U.E. (figura 5).

11 La samitul European de la Bruxell, din octombrie 2009 s-a citit proiectul inițiativei viitoarei Directive EU în acest sens.

Pierderile prin pereți

+ Pierderile prin

ventilare

(=)

Necesarul de

încălzire

+ Necesarul de energie

pentru preparare a.c.c.

(=) Consumul de energie finală

+

Consum energie pentru

transformare și aprovizionare

(=)

Consum de

energie

primară

- Aporturile

solare

+

Pierderile energetice (termice+electrice)

ale sistemului de încălzire și

preparare a.c.c.

- Aporturile

interne



III

10

În România, oportunitatea reducerii consumurilor de energie prin apelarea la surse locale de

generare s-a abordat în mod îngust și neprofesionist, prin apelarea la centralele de apartament.

Îngust : deoarece gazul este o resursă de care România nu mai dispune în prezent, în mod

necondiționat, astfel încât promovarea sistemelor locale de generare a energiei termice ca și

alternativă la sistemul centralizat, fără restricții și condiționări, nu poate fi considerată o măsură

de dezvoltare durabilă.

Figura 5. Consumul final de energie, în UE-27 (1996=100)

Neprofesionis deoarece : nu s-a realizat o analiză detaliată care să permită o corectă evaluare a costurilor globale, sistemice, care uneori pot fi mult mai mari (costurile cu extinderile/modernizările/reabilitările de sisteme de alimentare cu gaz, apă, energie electrică, costurile cu coșurile de evacuare a gazelor arse…); omiterea unor componente ale costurilor de implementare/integrare conduc la mascarea unor costuri reale (există numai aparența că ar putea fi oportune în orice situație) ; nu s-au realizat nici analize de risc în cazul unor reduceri ale debitelor de gaze în perioada de iarnă ca urmare a reducerii paramaterilor funcționali din sistem.

Necesitatea unei dezvoltări durabile.

Anul 1986 este anul în care s-a definit conceptul de dezvoltare durabilă după cum urmează: "satisfacerea necesităţilor prezentului fără a ipoteca capacitatea generaţiilor viitoare de a-şi satisface propriile necesităţi".

Acest concept implică interesul dezvoltării a noi surse de energie şi minimizarea reziduurilor care afectează mediul. Combustibilii fosili se prezintă ca o resursă finită şi economic limitată, inducând emisii ce afectează mediul şi contribuie la schimbarea climatului. Un sistem energetic durabil trebuie să integreze surse de energie regenerabile şi lanţuri de ardere cu emisii reduse, accesibile la costuri acceptabile. Din fericire, faptul că stabilizarea noilor infrastructuri energetice durează decenii, un număr din ce în ce mai mare de mari companii se implică în dezvoltarea şi comercializarea acestor noi tehnologii.

Dezvoltarea durabilă necesită generarea echilibrului între dezvoltarea economică, echitatea socială şi protecţia mediului, în toate regiunile planetei. Acest concept nu poate deci să se concretizeze fără o reală voinţă politică a unui număr mare de ţări.

Uniunea Europeană şi dezvoltarea energetică durabilă

La începutul anilor 2000, Comisia Europeană a făcut din dezvoltarea energiilor regenerabile o prioritate politică scrisă în Cartea Albă "Energie pentru viitor: sursele de energie regenerabilă"

60

80

100

120

140

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006

Energii regenerabile

Electricitate

Gaz

Petrol brut și produse petroliere

Căldură derivata

Combustibili solizi



III

11

şi Cartea Verde "Spre o strategie europeană de securitate a aprovizionării energetice".

Comisia şi-a fixat ca obiectiv dublarea ponderii energiilor regenerabile în consumul global de energie de la 6% în 1997 la 12% în 2010. Acest obiectiv este inserat într-o strategie de securitate a aprovizionării şi dezvoltare durabilă. Un efort semnificativ trebuie realizat în domeniul electric. În cadrul Uniunii Europene, partea de electricitate produsă pe baza surselor de energie regenerabilă trebuie să ajungă la 22,1% în 2010 faţă de 14,2% în 1999. Acest obiectiv definit pentru Europa celor 15 în acel moment a fost revăzut sensibil, pentru Europa celor 25, ponderea electricităţii produse pe baza surselor de energie regenerabilă trebuind să atingă 21%.

Deschiderea pieţei de electricitate

Încă de la începutul anilor 2000, sectorul de electricitate cunoaşte o profundă restructurare, rezultat al directivei europene CE 96-92. Această directivă impune gestionarea independentă a activităţilor de transport al energiei de cea de producţie a energiei electrice. În continuare, problema reţelei electrice rămâne doar reţeaua de transport, gestionată în fiecare stat de un gestionar unic desemnat de guvern.

Una din consecinţele deschiderii pieţei de electricitate este dezvoltarea unei producţii descentralizate, pe baza unităţilor de cogenerare, surse de energie regenerabilă sau producţie tradiţională întâlnită la producătorii independenţi.

Integrarea în reţelele electrice a surselor regenerabile de energie, în particular a celor dependente de climat, cum ar fi energiile eoliene şi solare, şi de o manieră mai generală, producţia descentralizată, necesită importante amenajări ale acestor reţele, precum şi punerea în practică a noi echipamente şi noi metode de gestiune. Obiectivul este menţinerea fiabilităţii şi calităţii alimentării cu energie electrică a persoanelor fizice şi întreprinderilor în contextul liberalizării pieţei de electricitate şi utilizarea din ce în ce mai intensă a surselor aleatoare de energii regenerabile.

măsuri ce se impun pentru ieșirea din criza energetică și pentru promovarea unei dezvoltări durabile în domeniu.

În actualul context energetic, singura alternativă durabilă la a produce cât mai mult constă în a reduce la minimum consumul/a economisi12.

Acest demers se bazează pe trei piloni : sobrietate ; eficacitate ; regenerabile.

Principiul a condus la formularea unui nou concept în domeniul abordării resurselor energetice ”negawatt”13, dar principiul este valabil și în abordarea celorlalte resurse (apă…).

Figura 6.

Sobrietate energetică Constă în a suprima pierderile de energie, nejustificate şi costisitoare, la toate nivelurile de

organizare ale societăţii noastre şi în comportamentul nostru individual.

12 un grup de cadre universitare din SUA a arătat că programele de economisire a energiei electrice ar fi 5 - 6 ori mai puţin costisitoare decât construirea de noi centrale electrice. 13 Promovat de Amory LOWINS, fondator al ”Rocky Mountain Institute” și autorul faimosului “Factor 4”



III

12

Sobrietatea nu înseamnă nici austeritate, nici raţionalizare: dar înseamnă necesitatea de a fundamenta viitorul pe nevoi energetice mai puţin bulimice, mai bine controlate, mai echitabile. Se bazează pe responsabilizarea tuturor actorilor, producători și consumatori.

Eficacitatea energetică Constă în a minimiza pierderile în ceea ce priveşte utilizarea resurselor şi în creşterea

eficienţei transformărilor energetice. Potențialul de ameliorare a clădirilor și a echipamentelor folosite în acestea este considerabil: în present este posibilă reducerea consumului de energie şi de materii prime, cu un factor de 2 - 5, doar prin utilizarea unor tehnici noi, déj{ accesibile pe scară largă (preparare apă caldă de consum solar, o bună termoizolare…). Casa pasiva ilustrează foarte bine conceptual, deoarece aceasta se bazează o tehnologie controlată şi eficientă și utilizarea exclusivă a unor soluții existente.

În acest context, alegerea adecvată a sistemelor de încălzire este important, deoarece eficiența energetică a sistemelor este diferită funcție de soluția utilizată: în cazul unui sistem de încălzire cu energie electrică14, pentru un kWh final de energie consumată

într-o casă, cantitatea de energie primară15, necesară pentru a produce și transporta energia electrică până la casa este de aproximativ 3 kWh (2 kWh sunt de fapt pierderi). Deci, în acest caz se produce o mare risipă de energie (67%), ... Prin urmare, utilizarea de energie electrică ar trebui rezervată numai pentru utilizările pentru care nu există alte alternative (alimentare aparate electro-casnice, etc.), dar în nici-un caz pentru încălzire.

În cazul sistemelor de încălzire care produc energie termică prin arderea combustibililor fosili, pierderile sunt mai mici. La utilizarea gazelor combustibile acestea sunt cele mai mici (15-20%). Utilizarea peletelor în instalațiile de generare a energiei termice se realizează cu un factor energetic de 0.712. utilizarea biomasei pare a fi cea mai bună soluție de generare a energiei termice

Energiile regenerabile

Actiunile de sobrietate și eficiență conduc la reducerea necesarul de energie la sursă, dar tot mai rămâne de acoperit un necesar de energie. Pentru a diminua la minim degajările de noxe, acest necesar de energie poate fi asigurat cu energii regenerabile16, inepuizabile și curate. În această categorie intră energia solară, eoliană, hidraulică, energia mareelor, a valurilor, energia geotermală, bio-masa. Acestea mai prezintă și un alt avantaj major și anume, sunt singurele care, pe termen lung, asigură un echilibru între nevoile noastre și resursele planetei, menținând echilibru ecologic.

2.2. Contextul climatic

Schimbarile climatice globale cunosc o rată de evoluție alarmantă în principal datorită intensificării efectului de seră. Concentraţia de bioxid de carbon (CO2), gazul de seră cu ponderea cea mai ridicată, produs prin arderea tuturor combustibililor fosili: petrol, gaz şi cărbune17 a crescut cu 30% încă din era pre-industrială. CO2-ul este. Efectele combinate ale tuturor gazelor cu efect de seră (CO2, metan, ozon,…) sunt echivalente cu o creştere a CO2 cu 50% faţă de perioada preindustrială.

Printre consecințele complementare efectului de seră se numără și creșterea temperaturii globale a planetei, cu implicații nefavorabile18 pentru dezvoltarea durabilă a omenirii. Faţă de anul 1860, temperatura medie a scoarţei terestre a crescut cu 0,6°C (tabelul 2 și fig. 7.). Și în

14 Am considerat util acest exemplu deoarece există tendința de a se promova sistemul electric de încălzire cu energie generată în centralele atomice. 15 gaz, petrol sau uraniu 16 Care, chiar dacă este consumată ”fără limite”/la discreție, nu are ca efect epuizarea resursei și deci nu afectează resursele generațiilor viitoare, nici societatea și nici mediul. 17 Prin arderea cărbunelui se degajează de două ori mai mult CO2 în raport cu arderea gazului natural3. Degajările de CO2 provenite din arderea petrolului se situează între cele două 18 Creştererea temperaturii scoarței terestre cu valoarea estimată poate avea o seamă întreagă de consecințe negative: reducere resurse apă potabilă; creşterea nivelului mărilor și oceanelor cu 0,21 m; modificări spectaculoase în eco-sisteme; deșertificări...



III

13

România, creșterea înregistrată în ultimul secol este este semnificativă: 0,5°C19. În ultimii 20 de ani, anomaliile înregistrate în acest domeniu sunt semnificative și îngrijorătoare20.

Tabel 2. Creşterea temperaturii medii anuale faţă de media perioadei 19511980 (sursa: GHCN)21

Anul 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 Creşterea de temperatură ( °C) 0,35 0,12 0,14 0,24 0,38 0,30 0,40 0,57 0,33 0,33

Anul 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Creşterea de temperatură ( °C) 0,48 0, 56 0,55 0,49 0,62 0,54 0,57

Pentru stabilirea unor măsuri eficiente de reducere a evoluției temperaturii medii anuale, s-au realizat o serie întreagă de studii și cercetări și s-au propus diverse modele de evoluție (în diverse scenarii/ipoteze de dezvoltare), conform cărora, în anul 2100 temperatura va înregistra o creştere între 1,5 şi 6°C, dacă filierele energetice şi evoluția consumului nu vor fi modificate (figura 7., figura 8). Deoarece în prezent evoluţia emisiilor de gaze care cauzează efectul de seră nu este previzibilă, estimările variază. O estimare globală, conform a 7 scenarii esențiale este dată în fig. 9. și conform acesteia: clima globală se va încălzi cu 1,1 - 6,4 °C în cursul secolului al XXI-lea.

Fig. 7. Evoluția temperaturii în ultimii 2000 de ani

(conform reconstituire pe baza analizei inelelor de creştere ale arborilor şi a grosimii gheţarilor).

Fig. 8. Previziuni privind încălzirea globală făcute înainte de 2001 cu diverse modele climatice

Sursa: IPCC Special Report on Emissions Scenarios Sursa: IPCC Special Report on Emissions Scenarios

Comitetul Interguvernamental pentru Schimbări Climatice –IPCC, care are drept scop identificarea schimbărilor climatice și fundamentarea și propunerea strategiilor de lungă durată pentru o dezvoltare durabilă, a identificat (în raportul emis în 2008), faptul că: pentru 1 / 3 din emisiile de CO2 ca urmare a consumurilor de energie şi 2 / 3 din emisiile de halocarbon

sunt responsabile clădirile. Dacă modificarea climatului se dovedeşte ireversibilă, reducerea acestei evoluţii este

însă posibilă, prin diminuarea semnificativă a emisiilor de gaze cu efect de seră. Deoarece absorbanţii naturali de CO2

22 nu pot absoarbi decât puţin mai mult de jumătate din cantitatea produsă de activitatea umană (nivelul din 2000), iar pe de altă parte durata de viaţă a bioxidului de carbon în atmosferă este de ordinul secolelor, pentru stabilizarea concentraţiei de CO2 la nivelul actual, ar trebui redusă urgent emisia de gaz cu 50 până la 70%.

Deși această reducere este imposibil de realizat brusc23, trebuie, totuși, să se acţioneze urgent24, prin promovarea unor măsuri eficiente de stabilizare.

19 Sursa: Conferința „Măsuri de adaptare şi reducere a impactului schimbărilor climatice”. 20 În anul 2007 s-au înregistrat temperature maxime record, atât iarna cât și vara: iarna 2006 - 2007 a fost cea mai caldă din ultimii 100 de ani (de când există observaţii meteorologice în România); în luna iulie s-a înregistrat un număr record de 148 de cazuri cu temperaturi maxime zilnice egale sau mai mari de 40 °C; La Calafat, în luna iulie s-a atins temperatura de 44 °C; temperatura maximă absolută a verii s-a înregistrat în toate cele trei luni (la 53 staţii în iunie, 94 staţii în iulie şi la 17 staţii în august); a fost atins numărul maxim lunar de zile consecutive caniculare, în care s-au înregistrat temperaturi de peste 35 °C şi de nopţi consecutive tropicale, cu temperaturi mai mari de 20 °C anul 2007 este considerat un an al fenomenelor meteorologice extreme. 21 Global Historical Climate Network (Reţeaua pentru urmărirea climatului global) 22 solurile, arborii şi oceanele 23 sunt necesare mai multe generaţii pentru obţinerea stabilizării concentraţiilor de CO2 la un nivel acceptabil 24 deoarece ne găsim în faţa unei probleme cumulative

Sc

en

ari

i



III

14

Fig.9. Estimarea variatiei temperaturii la suprafata solului pe perioada 1000-2100 (sursa: Jean-Marc Jancovici, 2006)

2.3.Contextul tehnologic.

Evoluția spctaculoasă a tehnologiilor din ultimele două decenii a creat premizele unui salt calitativ în mai toate sectoarele economice, înclusiv în domeniul echipamentelor de valorificare a energiei regenerabile.

Astfel, au cunoscut o evoluție remarcabilă atât echipamentele, sistemele de valorificare cât şi soluţiile de integrare în clădiri: turbine eoliene cu o largă gamă de puteri și randamente ridicate (apropiate de limita

teoretică), stabile, cu geometrii adaptabile pentru diferite amplasamente; panouri solare:

• pentru conversie termică, cu tuburi vidate, cu tuburi termice care au randamente net superioare panourilor plane din generația anterioară;

• pentru conversie fotovoltaică: cu randamente superioare, în soluții constructive care permit integrarea în fațade și acoperișuri;

• hibride, care reunesc, într-un spațiu redus, caracteristicile ambelor tipuri de panouri; pompe de căldură cu o largă gamă de puteri, cu valori ale coeficientului de performanță

(COP) ridicate (în prezent sunt disponibile pompe de căldură cu COP=9 și sunt pe cale de perfecționare pompele de căldură electrostatice, cu COP14)

turbine eoliene de mică putere și randamente ridicate (apropiate de limita teoretică), stabile, cu geometrii adaptabile pentru diferite amplasamente;

microcentrale de cogenerare a energiei; centrale atomice de mică putere; centrale de valorificare a biomasei; sisteme de producere şi valorificare a hidrogenului.

Este dificilă identificarea tehnologiilor care vor juca un rol determinant în viitor în lupta împotriva efectului de seră. Viitorul sistem energetic, având slabe emisii de gaz cu efect de seră, va avea la bază probabil o combinaţie de energii, de vectori de convertoare de energie, care se vor regăsi sub forme diferite în diverse regiuni ale lumii.

Se pot distinge câteva tendinţe ale viitorului nostru energetic: O creştere a părţii de energii regenerabile este previzibilă, dar importanţa sa va depinde de

reducerea costurilor şi de progresele realizate în stocarea masivă de electricitate, care va

Ince

rtitu

dine

mod

ele

2100

Scenarii

Emisfera nordică Global



III

15

permite integrarea în reţelele electrice a unor cantităţi mari de energie produsă discontinuu şi distribuită. Pe termen lung, este puţin probabil ca fiecare din sursele de energie regenerabile să depăşească 10% din necesarul mondial de energie, dar după previziunile cele mai optimiste combinaţia lor le-ar putea permite atingerea ponderii de 30 până la 50% din piaţă, către jumătatea secolului (la începutul anilor 2000, ansamblul energiilor regenerabile reprezenta 10% din producţia energetică).

Energiile pe bază de combustibili fosili vor fi utilizate încă pe perioada mai multor zeci de ani, favorizând energiile cu conţinut redus de carbon cum ar fi gazul. Captarea şi stocare bioxidului de carbon în condiţii acceptabile din punct de vedere economic constituie singura opţiune tehnologică susceptibilă să autorizeze utilizarea resurselor fosile, limitând totodată concentraţia de CO2 în atmosferă, în aşteptarea unor evoluţii tehnologice importante.

Energia nucleară nu generează CO2, cu excepţia CO2-ului emis în timpul construcţiei centralelor şi în procesul îmbogăţirii uraniului consumat în aceste centrale. Acest tip de energie va continua să fie dezvoltat într-un anumit număr de ţări, printre care şi Franţa, prin intermediul unui tratament satisfăcător al deşeurilor, dezvoltării unor noi generaţii de reactoare mai sigure, apoi pe termen lung prin dezvoltarea fusiunii nucleare, ale cărei perspective se conturează tocmai spre anul 2050.

Dezvoltarea reactoarelor cu combustie ar putea permite dezvoltarea unei "economii de hidrogen". Producerea de hidrogen nu generează CO2, dacă hidrogenul este produs plecând de la energii regenerabile, nucleare sau fosile cu reţinerea CO2. Statele Unite, care nu au ratificat tratatul de la Kyoto deoarece l-au considerat un factor de constrângere pentru economia lor, au lansat în 2003 un ambiţios program de cercetare menit a reduce costurile producţiei de hidrogen, controlul emisiile de gaz cu efect de seră, coordonarea stocării acestora şi reducerea costului reactoarelor cu combustie.

În concluzie controlarea emisiilor de gaz cu efect de seră nu se poate concretiza fără programe importante de eficientizare energetică în sectoarele de construcţii, industrie şi transporturi. Scopul este de a utiliza mai puţină energie pentru satisfacerea aceloraşi necesităţi.

2.4.Contextul economic.

Din punct de vedere economic, ne aflăm într-un moment caracterizat prin: circulația liberă a mărfurilor; supraproducție de echipamente și materiale; mână de lucru disponibilă; costuri relative accesibile ale produselor și manoperei; prețuri relativ mari ale energiei, produsă prin arderea combustibililor, datorită politicilor energetic;

strategic, în cadrul politicilor pentru viitor se prevede o creștere exponențială a acestor prețuri; În raport cu aceste caracteristici rezultă că, în present, este mult mai rentabil a investi pentru

realizarea clădirilor cu tehnologii și echipamente performante și consumuri energetice minime asigurate din surse regenerabile.

2.5.Contextul social.

Ca o consecință a crizei energetice și financiare, omenirea trece în prezent și printr-o criză socială. Trecerea la o nouă generație de clădiri, respectiv dezvoltarea sectorului construcțiilor, ar putea genera și locuri de muncă contribuind și la diminuarea crizei sociale.

2.6.Contextul politic.

Energia este o ”armă”, care poate fi manevrată foarte abil la nivel mondial iar politicile zonale se fac și desfac și funcție de resursele energetice. Este de dorit deci, pe cât posibil, ca în cadrul unor politici responsabile în domeniul energetic să existe soluții de reducere la minim a dependențelor energetice, prin reducerea consumurilor de energie și orientarea spre energiile regenerabile.



III

16

2.7.Contextul geografic.

Din punct de vedere geographic, România, se caracterizează printr-un relief și o climă variată, cu particularități diferite de la o zonă la alta, precum și față de celelalte țări europene. De aceea, realizarea unor clădiri performante din punct de vedere energetic impune o mare responsabilitate specialiștilor din domeniu, deoarece, adoptarea unor modele/soluții inadecvate ar putea conduce la rezultate contrarii.

3.Politici energetice privind conservarea energiei și utilizarea

formelor regenerabile de energie.

Scopul general al oricărei politici energetice constă în: Realizarea unui ECHILIBRU între CEREREA şi OFERTA de ENERGIE în condiţii

suportabile din punct de vedere social şi ecologic. În acest sens se poate acţiona la cei doi poli (inițial și final) ai vectorului energetic respectiv

asupra cererii și a ofertei. Oferta de energie. Acțiunile în această direcție trebuie să conducă spre tehnologii de

valorificare intensivă și eficientă a resurselor disponibile, extinderea utilizării formelor regenerabile de energie și identificarea unor noi surse, alternative, capabile să compenseze efectul reducerii inevitabile a rezervelor actuale;

Cererea de energie Politica orientată spre cererea de energie trebuie să promoveze acțiuni stimulative pentru raționalizarea/diminuarea consumurilor și pentru conservarea/economisirea energiei.

Politica de eficienţă energetică poate lua diferite forme, în corelaţie cu structura societăţii şi a tipului de economie în care se aplică și are ca principale obiective:

Siguranta surselor de aprovizionare cu energie; Protectia mediului și Competitivitatea. În contextul unei economii de piaţă, politica de eficienţă energetică se bazează pe elemente

promoţionale şi motivaţionale25.

3.1. Politici energetice în Uniunea Europeană. Uniunea Europeană (UE) şi majoritatea ţărilor din componenţa ei, datorită particularităților

nefavorabile referitoare la resursele energetice clasice, au avut încă de la constituire, o politică constantă de creștere a eficienţei energetice26. Încă de la începutul anilor 1990 UE s-a amplasat în poziţia de lider mondial în administrarea mediului. Consiliul UE consideră că peste 70 % din reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră (GES) provenite din arderea combustibililor poate fi obţinută pe seama sporirii eficienţei energetice, valorificării SRE şi trecerea la combustibilii alternativi. Aminitim în acest sens Directivele europene adoptate cronologic în ultimii ani de către Consiliul UE: Directiva 2001/77/EC cu privire la promovarea electricităţii produse din surse regenerabile

de energie; Directiva 2002/91/EC cu privire la caracteristicile energetice ale clădirilor; Directiva 2003/30/EC cu privire la promovarea biocombustibilului în transport; Directiva 2004/8/EC cu privire la promovarea cogenerării; Directiva 2006/32/EC cu privire la eficacitatea consumului final de energie şi serviciile

energetice ş.a. Directiva 2008//EC, referitoare la utilizarea surselor regenerabile de energie care include

prevederile directivelor anterioare referitoare la promovarea electricităţii produse din surse

25 Motivaţia principală este oferită de dorinţa consumatorilor de energie de a rezista în condiţiile concurenţiale prin reducerea costurilor, în general, şi a celor energetice în special. Atât elemente promoţionale cât şi cele motivaţionale trebuie să aibă în vedere, printre altele și capacitatea de plată determinată de puterea de cumpărare, pentru consumatorii casnici. În acest context, se recomandă o politică promoţională alături de una motivaţională, care să ofere măsuri colaterale capabile să determine adaptarea consumatorilor într-o perioadă de timp. Într-o astfel de abordare statul trebuie implicat ca și PARTENER al consumatorilor, acesta trebuind să-și asume responsabilitatea finanţării mecanismelor de adaptare. 26 intensitatea energetică era, în 2006 cca. 10 MJ/Euro, sau cca. 7,75 MJ/US$



III

17

regenerabile de energie, a biocombustibililor în transport și în plus măsuri de promovare a utilizăii energiilor regenerabile în sector termic, pentru încălzire şi răcire, care vizează in special domeniul clădirilor.

În martie 2007 Consiliul UE şi-a luat angajamentul de a reduce până în anul 2020 emisiile de gaze cu efect de seră (GES) cu 20 % în raport cu anul 1990. În aceste condiții, potenţialul de economisire a energiei până în anul 2020, pe sectoare, este apreciat de CE a fi: clădiri (rezidenţiale, comerciale etc.) - 28 %; transport - 26 %; industrie - 25 %.

Măsurile de economisire a energiei se bazează pe un şir de măsuri prioritare, dintre care, o parte vizează în special domeniul clădirilor: 1. Reducerea consumului final de energie în clădiri. În acest sens s-a prevăzut:

extinderea Directivei 2002/91/EC asupra clădirilor mici, crearea standardelor minimale de eficacitate pentru clădirile nouconstruite şi cele

reconstruite promovarea aşa numitor „case cu degajări de noxe/consum de energie zero”.

2. Perfecţionarea echipamentelor şi a aparatelor care utilizează energie în două direcţii: modul de standardizare a aparatelor, care să includă și indicatori de performanță

energetică; sistemul de evaluare a indicatorilor/indicilor energetici și de marcaj a acestora.

3. Aprobarea limitelor minime ale eficienţei energetice pentru instalaţiile energogeneratoare, instalaţiile de încălzire şi răcire, cu puterea mai mică de 20 MW şi, chiar și pentru cele cu puteri şi mai mari;

4. Aplicarea măsurilor care ar atrage investiţiile spre sporirea eficienţei energetice, în Companiile de prestare a serviciilor energetice (ESCO).

5. Introducerea unei Convenţii-cadru Internaţionale cu privire la eficienţa energetică. 6. Utilizarea Fondurilor Structurale şi a Fondurilor de Consolidare pentru ajutorarea regiunilor

mai sărace, mai ales, a ţărilor nou intrate în UE. 7. Implementarea unui şir de măsuri în scopul sporirii informării societăţii referitor la

importanţa eficienţei energetice, şi inclusiv introducerea programelor de studii în domeniul energeticii şi a schimbării climei.

Planul de dezvoltare a energeticii regenerabile pubicat de CE în ianuarie 2007 determină o perspectivă de lungă durată a surselor regenerabile de energie în UE. Prin acest plan se propune fixarea, pentru fiecre stat membru al UE a unor niveluri obligatorii ale ponderii energiilor regenerabile în balanța energetică globală a acestora pentru anul 2020 astfel încît să se atingă obiectivul global al UE de 20 % energie produsă în 202027 din energiile regenerabile.

Relativ recent, UE și-a propus să-și întărească rolul de lider mondial în politicile de mediu pe baza reducerii degajărilor de noxe în anul 2050 cu 95% față de anul 2000, motiv pentru care vom asista, în foarte scurt timp la noi măsuri în acest sens.

3.2. Politici energetice în România.

În România, țară membră a UE din 2007, politicile adoptate la nivelul UE au fost preluate și în politicile naționale.

La nivelul anului 2005 structura consumului de energie era: cărbuni – 23 %, gaze naturale – 36,4 %, ţiţei şi produse petroliere – 24,2 %, hidro şi altele – 16,4 % iar stuctura de producere a energiei electrice a fost: CNE – 9,3 %, CTE pe cărbuni –36,9 %, CTE pe hidrocarburi – 19,0 % , CHE şi alte RER – 34,5 %. Această structură relevă necesitatea introducerii accelerată a măsurilor din politicile energetice europene.

Intensitatea energetică reprezintă 0,492 tep/mia de Euro (15,5 MJ/USD), adică de peste 3 ori

27 Pentru a obţinerea acestui obiectiv global vor fi necesare mijloace financiare suplimentare de 10...18 miliarde Euro pe an



III

18

mai mult decât media pe UE, ceea ce indică existenţa unui potenţial mare de reducere a consumului de resurse primare. Potenţialul de economisire a energiei28 este apreciat la 28,6 PJ/an (6823 ktep/an). Structura acestui potenţial (prezentată în tab.3., figura 10) relevă faptul că în sectorului rezidenţial consumul de energie este important, fiind necesare schimbări majore.

Referitor la valorificarea surselor regenerabile de energie, se poate afirma faptul că România are un potenţial energetic relativ ridicat de valorificare a biomasei, energiei hidraulice, eoliene, solar-termice (tabel 4). Tabelul 4. Potenţialul energetic al surselor regenerabile de energie din România

Sursa PJ/an Solară termo29 60,0 Solară electro30 4,32 Eoliană31 82,8 Hidraulică32 129,6 Bio33 318,0 Geotermală34 7,0

În structura acestui potențial, biomasa (constituită din reziduuri din exploatări forestiere, deşeuri de lemn – rumeguş şi alte resturi de lemn, deşeuri agricole, biogaz, deşeuri şi reziduuri menajere urbane ocupă o pondere ridicată) se detașeză net ca potențial.

Obiectivele generale ale Strategiei naționale de valorificare a surselor regenerabile de energie pe termen mediu și lung au în vedere următoarele acțiuni: 1. integrarea surselor regenerabile de energie în structura sistemului energetic naţional; 2. elaborarea şi implementarea cadrului legislativ, instituţional şi organizatoric adecvat; 3. elaborarea de programe de cercetare-dezvoltare orientate in direcţia accelerării procesului de

integrare a surselor regenerabile de energie in sistemul energetic naţional. 4. transferul de tehnologii neconvenţionale, cu norme de aplicare, atestare şi certificare

conform standardelor internaţionale în vigoare; 5. diminuarea barierelor tehnico-funcţionale şi psiho-sociale în procesul de valorificare a

surselor regenerabile de energie, simultan cu identificarea elementelor de cost şi de eficienţă economică;

6. identificarea de surse de finanţare pentru susţinerea şi dezvoltarea aplicaţiilor de valorificare a surselor regenerabile de energie, cu facilitarea accesului pentru capitalul străin;

28

eficient din punct de vedere al costurilor 29 Există un potențial ridicat pentru zonele de SV, S și SE din afara lanțului carpatic iar domeniul de utilizare reomanda este prepararea apei calde de consum și a agentului termic 30 Există un potențial ridicat pentru zonele de SV, S și SE din afara lanțului carpatic 31 Există un potențial ridicat pentru zona SE (Tulcea, Dobrogea…) 32 la finele anului 2006 puterea instalată în centrale hidraulice era de 6.346 MW, energia de proiect pentru anul hidrologic mediu fiind evaluată la 17.340 GWh/an. Astfel, gradul de valorificare al potenţialului tehnic amenajabil este in prezent de 48%, iar al potenţialului economic amenajabil este de 57,8% 33 In consumul curent de biomasă din România. În regim de exploatare energetică, se află peste 550 cazane industriale, zeci de cazane de apă caldă pentru încălzirea urbană, cca. 24 milioane de sobe sau cuptoare pentru încălzirea locuinţelor individuale sau prepararea hranei ş.a. 34 Există un potențial ridicat pentru zonele Bihor și Banat.

Tabel. 3. Potenţialul de economisire a energiei conform strategiei naţionale în domeniul eficienţei energetice

Figura 10.

Potenţial de economie de energie

Sector Mediu, în (%) din consum

Maxim, (ktep/an)

Industrie 13 (10 – 17) 1590

Rezidenţial 41,5 (35 – 50) 3600

Transport şi comunicaţii

31,5 (30 – 35) 1390

Sector terţiar 14 (13 – 19) 243

TOTAL 100 6823

13%

41,50%31,50%

14%

industrie rezidențial

transport și comunicații sector terțial



III

19

7. asigurarea, după caz, a alimentării cu energie a comunităţilor izolate prin valorificarea potenţialului surselor regenerabile locale;

Prin Ordonanţa de urgență a Guvernului nr. 25/2008 în Romania, în avans faţă de alte ţări europene, se introduc la finanţarea din Fondul pentru mediu persoanele fizice şi asociaţiile de locatari. Aceste categorii de beneficiari pot accesa finanţări în cuantum de 90% pentru înlocuirea sau completarea sistemelor clasice de încalzire cu sisteme care utilizeaza energia solară, energia eoliană şi energia geotermală.

În raport cu aceste realități, pentru evitarea efectelor negative majore care ar putea să apară ca urmare a reducerii drastice a resurselor de energie, se impugn, în mod corelat, măsuri capabile să asigure: creșterea performantelor energetice ale clădirilor și instalațiilor aferente35; dezvoltarea tehnologiilor de valorificare a surselor de energie regenerabile., în sisteme actve și

passive; prospectarea unor noi material și soluții tehnologice capabile să diminueze consumurile de

energie.

4.Stadiul actual al cercetărilor in domeniu şi tendinţe de evoluţie.

In cadrul strategiilor de dezvoltare durabila, a programelor cadru de cercetare europeana și a platformei europeane de cercetare in domeniul constructiilor s-au fixat principalele directii de cercetare in domeniu.

O imagine sugestiva a stadiului cercetărilor și directiilor de dezvoltare in domeniul cladirilor este prezentata in fig. 16.

Cercetările recente în domeniul clădrilor ne pun în fața unei adevărate revoluții conceptuale și tehnologice. Totuși, putem afirma că există inovații mature, care au trecut proba timpului și inovații emergente, care mai necesită studii și perfecționări.

1. Referitor la sistemele de generare a energiei: s-au promovat sisteme integrate de generare

și utilizare a energiei din surse regenerative (solară, geo-termală, biomasă, eoliană…), pentru una (energie electrică) sau mai multe funcțiuni (energie termică+ apă caldă de consum, energie electrică+apă caldă de consum); s-au dezvoltat soluții de integrare a panourilor/celulelor fotovoltaice in fatadă (acoperișuri, pereți, ferestre); s-au dezvoltat: kituri/ sisteme solare combinate (preparare a.c.c+planșeu încălzitor), panouri solare hibride (termic+fotovoltaic); s-au studiat diferite soluții de stocaj a energiei electrice și termice, în special pentru cea generată prin valorificarea energiei solare: stocajul diurn, săptămânal, sezonier; s-au promovat unități de micro-co-generare a energiei;

2. Referitor la echipamente: s-au crescut performanțele globale ale acestora, inclusiv cele energetice prin asocierea cu sisteme de adaptare le cereri de consum variabile (pompe/ventilatoare cu turație variabilă…);

3. Referitor la sisteme de gestiune performantă: au fost concepute sisteme automatizate de control și conducere a tuturor categoriilor de instalații, în regim dinamic, corelat cu variația parametrilor climatici și de confort interior.

4. Referitor la metodele de proiectare: s-au dezvoltat softuri pentru modelarea și optimizarea soluțiilor prin simulare numerică.

35

promovarea directivei europeane privind eficacitatea energetica a cladirilor si promovarea normelor europene care sa puna in practice prevederile directivei europene precum si a normelor nationale care sa includa particularitatile in statelor respective



III

Fig.16. Directiile de cercetare in domeniul cladirilor (Conferința PREBAT a platformei tehnologice europene în domeniul construcțiilor, decembrie 2006).

Turbina eoliana

Sursa de producere

a energiei electrice

Camera web inteligenta

Recunoastere situatii de risc

Supraveghere copii

Baterii Stocheaza energia produsa cu pilele de

combustibil, turbinele eoliene, panourile solare

Turbina eoliana

Sursa de producere

a energiei electrice

Congelator

inteligent

Afiseaza continutul si

propune meniul in

corelatie cu dieta

utilizatorului

Robot

domestic

Transporta

gunoiul, ...

Oglinda

inteligenta

Senzori prezenta

Materiale performante

Senzori biologici

Sistem de

gestiune

centralizat

Put canadian

(schimbator caldura sol-aer: incalzeste/raceste aerul)

Panouri solare hibride (fotovoltaice-termice)

Surse de producere a energiei electrice si termice

Bazin recuperare

apa ploaie

Vitraje solare

Servesc la producerea de

apa calda si electricitate

Put energetic

Sistem de Stocaj al

caldurii sau frigului.

Un amestec de

apa+glicol circula prin

conducte preluind

caldura (iarna) sau

frigul (vara) din sol.

Planseu incalzitor

Ferestre

multifunctionale

Cu auto-curatire,

depoluare,

difuzie optima a

luminii

Cos ventilare Camera web inteligenta

Pentru identificare situatii de risc



III

21

5. Surse neconvenționale de energie cu potenţial de valorificare

ridicat pe teritoriul României.

5.1. Resurse energetice primare.

În raport cu proveniența și capacitatea de reproductibilitate, resursele energetice primare se pot clasifica conform tabelului de mai jos.

Categoria de clasificare

Natura sursei de energie

Epuizabilă Regenerabilă Recuperabilă

Convenționale Combustibili fosili (cărbune, petrol, gaze naturale)

Hidraulică Gaze petroliere lichefiate

Neconvenționale Combustibili nucleari Solară Eoliană Geotermală Mareelor

Biogaz Deseuri solide Deseuri termice

Alternative Biomasă Hidrogen Bioetonal (din porumb) Biodisel (din rapiță)

5.2. Re-Surse neconvenționale de energie

Sursa solară

Durata de viaţă a astrului solar este de 5 miliarde de ani, ceea ce conduce la concluzia că, pe scara noastră a timpului, el reprezintă o energie inepuizabilă şi deci regenerabilă. Energia totală captată de scoarţa terestră este de 720*106 TWh pe an. Dar disponibilitatea acestei energii depinde de ciclul zi-noapte, de latitudinea locului unde este captată, de anotimpuri şi de pătura noroasă.

Energia solară termică se bazează pe producerea de apă caldă utilizată în clădiri, sau în scopul de a permite acţionarea turbinelor ca şi în cazul centralelor termice clasice, pentru producţia de electricitate. Această tehnică de a produce electricitate se aplică în cazul centralelor experimentale cu randamentul net într-adevăr mic, de 15%. Apele de suprafaţă ale mărilor sunt în mod natural încălzite de soare, ceea ce reprezintă un imens rezervor de energie în zonele tropicale. Proiectele de extracţie a acestei "energii termice a mărilor" au la bază acţionarea diferitelor maşini termodinamice. Aceste funcţionează pe baza diferenţei de temperatură dintre apa de suprafaţă (25 până la 30°C) şi apa de adâncime (5°C la 1000 m adâncime). Pentru ca această soluţie să fie practică ar trebui ca diferenţa de temperatură să fie mai mare 20°C, dar randamentul de 2% este foarte slab.

Energia solară fotovoltaică se bazează pe producerea directă de electricitate prin intermediul celulelor cu siliciu. Atunci când străluceşte şi atunci când condiţiile climatice sunt favorabile, soarele furnizează o putere de 1 kW/mp. Panourile fotovoltaice permit convertirea directă în electricitate a 10 - 15% din această putere. Producţia de energie a unui astfel de panou variază odată cu creşterea sau scăderea intensităţii solare: 100 kWh/mp/an în Europa de Nord, iar în zona mediteraneană este de două ori mai mare. Un acoperiş fotovoltaic de 5x4 metri are o putere de 3kW şi produce 2 - 6 MWh/an. Dacă cei 10.000 kmp de acoperiş existenţi în Franţa ar fi utilizaţi ca generator solar, producţia ar fi de 1.000 TWh pe an, aproape dublul consumului final de electricitate în Franţa la începutul anilor 2000 (450 TWh).

Principalele obstacole în utilizarea pe scară largă a energiei solare fotovoltaice (şi termice) le reprezintă, pe de o parte disponibilul de putere furnizată, care constrânge la stocarea electricităţii



III

22

pentru o funcţionare autonomă sau la utilizarea de soluţii energetice complementare, iar pe de altă parte competitivitatea economică.

Sursa eoliană

Sursa eoliană disponibilă este evaluată pe scară mondială la 57.000 TWh pe an. Contribuţia energiei eoliene off shore (în larg) este estimată la 25.000 - 30.000 TWh pe an, fiind limitată la locaţii care să nu depăşească adâncimea de 50 m. Producerea mondială de electricitate în 2000, a fost de 15.000 TWh (ceea ce corespunde unei energii primare consumate de 40.000 TWh), rezultând un randament al ciclurilor termo-mecanice de 30-40%. Teoretic, energia de origine eoliană poate acoperi necesarul de electricitate pe plan mondial. În acelaşi timp, principalul inconvenient al acestei surse de energie, o reprezintă instabilitatea vântului. În perioadele de îngheţ, ca şi în cazul caniculei, cazuri în care cererea de energie este acerbă, efectul produs de vânt este practic inexistent, fapt care a condus, în dezvoltarea instalaţiilor eoliene, la ataşarea unor alte instalaţii de energii regenerabile caracterizate de un mai bun echilibru în funcţionare, sau de sisteme de stocare a energiei electrice. Trebuie luat însă în calcul, în cazul sistemelor de stocare a energiei electrice de mare capacitate, preţul de cost ridicat al acestor sisteme, care sunt astăzi, în curs de dezvoltare.

Europa nu are decât 9% din potenţialul eolian disponibil în lume, dar are 72% din puterea instalată

în 2002. Ea a produs 50 TWh electricitate de origine eoliană în 2002, producţia mondială fiind de 70

TWh. Potenţialul eolian tehnic disponibil în Europa este de 5.000 TWh pe an.

Sursa hidro

Sursa hidro poate fi considerată prima sursă regenerabilă de electricitate. Potenţialul mondial reprezintă un avantaj care trebuie exploatat. Producţia de energie hidro la începutul anilor 2000 a fost de 2.700 TWh pe an, cu o putere instalată de 740 GW. Ea poate ajunge la 8.100 TWh în anul 2050 prin dublarea competitivă economic a puterii instalate. Tehnic exploatabili sunt 14.000 TWh din potenţialul teoretic de 36.000 TWh.

Sursa hidro de mare putere (cu o putere mai mare de 10 MW) este exploatată în proporţie de 100% din potenţialul său maxim în ţările industrializate. Barajele permit stocarea de energie, furnizând-o în momentele de maximă necesitate a cererii. În diferite cazuri, bazinele de stocare a energiei în amonte sau în aval, permit o adevărată stocare de energie utilizând instalaţii de tip turbo-alternatoare reversibile care realizează pompajul în perioada ne-critică. Această formă de stocare a energiei este foarte utilizată în lume. În Franţa, 4.200 MW sunt instalaţi în acest scop.

Sursa hidro de mică putere (cu o putere inferioară 10 MW) este constituită în parte de centralele pe firul apei, funcţionarea lor depinzând în mare măsură de debitul apei. Aceste mici centrale sunt utilizate pentru o producţie descentralizată. Producţia mondială este estimată la 85 TWh. În Franţa, centralele hidro de mare putere au atins practic pragul de saturaţie, rămânând de exploatat potenţialul microhidro, care se estimează a fi de 4 TWh/an. O treime din acesta ar putea fi obţinut prin ameliorarea instalaţiilor existente, celelalte două treimi, prin instalarea unor echipamente noi.

Energia mareelor poate fi utilizată pentru a produce electricitate. În Franţa, uzina de profil de la Rance (240 MW) a pus în practică această tehnică de producere a electricităţii. Alte proiecte importante sunt studiate în Canada sau Anglia. Dar, realizarea acestor proiecte nu este sigură, deoarece se modifică considerabil ecosistemul local.

Valurile reprezintă imense zăcăminte de energie. Puterea medie anuală pe coasta Oceanului Atlantic este cuprinsă între 15 şi 80 kW/m de coastă. Energia valurilor nu se poate folosi însă pe scară largă. Prototipuri de centrale de acest gen sunt astăzi în fază de analiză şi testare.



III

23

Sursa geotermică

Temperatura planetei creşte considerabil odată cu aproprierea de centrul său. În anumite zone de pe planetă, la adâncime, se găseşte apă la temperaturi foarte ridicate. Geotermia de temperatură ridicată (150 până la 300°C) presupune pomparea acestei ape la suprafaţă, unde, prin intermediul unor schimbătoare de căldură, se formează vapori, care sunt utilizaţi ulterior în turbine, ca şi în cazul centralelor termice clasice şi astfel se produce electricitate.

Resursele geotermice cu o temperatură scăzută (mai mică de 100°C) sunt extrase cu ajutorul unor pompe termice, în scopul eliberării unei cantităţi de căldură pentru diferite necesităţi.

Potenţialul geotermic natural este, în continuare, considerat limitat, deoarece există numeroase locaţii unde se întâlneşte o temperatură foarte ridicată (mai mare de 200°C), dar nu există apă. Această resursă termică poate fi exploatată prin intermediul tehnologiei "rocilor calde şi uscate", în curs de dezvoltare. Principiul constă în pomparea de apă prin intermediul primului puţ către zonele de mare adâncime (mai mari de 3000 m) corespunzătoare fisurilor din rocă. Această apă reîncălzită urcă prin intermediul unui al doilea puţ şi permite producerea de electricitate ca şi în cazul centralelor termice clasice. Totuşi, potenţialul acestui tip de energie nu este precizat.

Biomasa

Biomasa este, sub rezerva unei exploatări durabile a acesteia, o energie regenerabilă, care furnizează biocombustibili, în general sub formă solidă şi biocarburanţi, în general sub formă lichidă.

Lemnul acoperă mai mult de 10% din cererea de energie primară în multe ţări din Asia, Africa şi America Latină, în câteva ţări din Europa (Suedia, Finlanda, Austria). Utilizarea lemnului ca sursă de energie a crescut foarte mult în ultimele decenii în ţările în curs de dezvoltare, dar această resursă nu a fost exploatată durabil, determinând despăduriri masive. Emisiile datorate arderii lemnului într-o instalaţie industrială de încălzire sunt mai reduse decât în cazul arderii combustibililor fosili. Dacă pădurile din care provine lemnul sunt gestionate într-o manieră durabilă, emisiile de CO2 cauzate de această filieră de producţie, nu ar fi decât cele cauzate de benzina consumată în cadrul operaţiilor de plantare, recoltare şi comercializare. Aceasta ar reprezenta aproximativ 5% din combustibilul vândut. Trebuie subliniat faptul că o energie regenerabilă nu este neapărat şi o energie total nepoluantă.

Consumul de biomasă, ca energie primară, este în Franţa de 10-11 Mtep (la începutul anilor 2000), în principal sub formă lemnoasă. Fără să se constituie culturi energetice specifice, potenţialul de biomasă ar putea fi dublat, doar prin recuperarea sistematică a tuturor deşeurilor organice: deşeuri menajere şi industriale ne-reciclabile, tratarea prin metanizare a filtrelor de epurare şi a deşeurilor agricole, care ar genera biogaz. Potenţialul energetic este de 60 TWh/an, adică 15% din consumul final de electricitate din Franţa.

Biomasa este frecvent utilizată în sistemele de cogenerare care produc electricitate ca şi în centralele clasice, prin valorificarea căldurii, altfel pierdută, din diverse aplicaţii: încălzirea încăperilor, nevoi industriale, agricultură,… Această tehnologie permite creşterea randamentului conversiei energetice.

Biocarburanţii lichizi, mai scumpi din punct de vedere al obţinerii şi produşi pe baza unor culturi energetice (stuf, trestie de zahăr, floarea soarelui, grâu, porumb,...), sunt cel mai bine puşi în valoare în aplicaţii din domeniul transportului. Ei sunt utilizaţi în prezent, mai ales pentru alimentarea motoarelor termice, fiind amestecaţi cu mici cantităţi de carburanţi tradiţionali, pentru a le ameliora caracteristicile.

Biomasa este, sub rezerva unei exploatări durabile a acesteia, o energie regenerabilă, care furnizează biocombustibili, în general sub formă solidă şi biocarburanţi, în general sub formă lichidă.

Lemnul acoperă mai mult de 10% din cererea de energie primară în multe ţări din Asia, Africa şi America Latină, în câteva ţări din Europa (Suedia, Finlanda, Austria). Utilizarea lemnului ca sursă de



III

24

energie a crescut foarte mult în ultimele decenii în ţările în curs de dezvoltare, dar această resursă nu a fost exploatată durabil, determinând despăduriri masive. Emisiile datorate arderii lemnului într-o instalaţie industrială de încălzire sunt mai reduse decât în cazul arderii combustibililor fosili. Dacă pădurile din care provine lemnul sunt gestionate într-o manieră durabilă, emisiile de CO2 cauzate de această filieră de producţie, nu ar fi decât cele cauzate de benzina consumată în cadrul operaţiilor de plantare, recoltare şi comercializare. Aceasta ar reprezenta aproximativ 5% din combustibilul vândut. Trebuie subliniat faptul că o energie regenerabilă nu este neapărat şi o energie total nepoluantă.

Consumul de biomasă, ca energie primară, este în Franţa de 10-11 Mtep (la începutul anilor 2000), în principal sub formă lemnoasă. Fără să se constituie culturi energetice specifice, potenţialul de biomasă ar putea fi dublat, doar prin recuperarea sistematică a tuturor deşeurilor organice: deşeuri menajere şi industriale ne-reciclabile, tratarea prin metanizare a filtrelor de epurare şi a deşeurilor agricole, care ar genera biogaz. Potenţialul energetic este de 60 TWh/an, adică 15% din consumul final de electricitate din Franţa.

Biomasa este frecvent utilizată în sistemele de cogenerare care produc electricitate ca şi în centralele clasice, prin valorificarea căldurii, altfel pierdută, din diverse aplicaţii: încălzirea încăperilor, nevoi industriale, agricultură,… Această tehnologie permite creşterea randamentului conversiei energetice.

Biocarburanţii lichizi, mai scumpi din punct de vedere al obţinerii şi produşi pe baza unor culturi energetice (stuf, trestie de zahăr, floarea soarelui, grâu, porumb,...), sunt cel mai bine puşi în valoare în aplicaţii din domeniul transportului. Ei sunt utilizaţi în prezent, mai ales pentru alimentarea motoarelor termice, fiind amestecaţi cu mici cantităţi de carburanţi tradiţionali, pentru a le ameliora caracteristicile.

5.3. Mecanisme de valorificare a resurselor regenerabile şi alternative de

energie.



III

25

Capitolul II.

Date climatice.

1. Date meteorologice-Surse de date climatice.

Factorii meteorologici exercită o influenţă complexă asupra clădiilor și instalaţiilor aferente acestoa.

Dimensionarea instalațiilor funcționale și evaluarea performanțelor acestora și în special a performanței energetice se realizează ținându-se cont de particularitățile climatice ale amplasamentului.

Clima este o stare caracteristică atmosferei locului considerat reprezentată de totalitatea fenomenelor meteorologice (temperatură, umiditate, vânt, presiune barometrică, radiație solară, temperatură la suprafața solului, … ), dedusă din observaţii repetate pe perioade lungi de timp.

În caracterizarea climei se operează cu valori medii şi cu abateri de la aceste valori medii.

Principalii factori climatici sunt : temperatura, umiditatea, radiaţia solară şi vântul.

În concepția unor clădiri performante din punct de vedere energetic sunt necesari și alți parametri climatici: amplitudinea temperaturii la suprafața solului, temperatura solului, numărul de zile însorite,…

Modul în care sunt considerate datele climatice în dimensionarea instalațiilor și mai ales în evaluarea performanțelor energetice are o importanță majoră în furnizarea unor rezultate cât mai apropiate de realitate, dar mai ales în promovarea tehnicilor, materialelor, soluțiilor și echipamentelor performante.

Datele climatice cu care se operează în activitatea de concepere și evaluare a performanțelor clădirilor și instalațiilor aferente provin din datele primare meteorologice obținute prin măsurători directe sau indirecte asupra parametrilor climatici, pe perioade de timp reprezentative.

Pentru a putea fi exploatate ele se prelucrează statistic de maniera în care să fie reprezentative scopului în care vor fi utilizate.

În continuare vom defini principalele date climatice primare (meteorologice) cu care se operează în activitatea de concepție a clădirilor și instalațiilor aferente, cât și în activitatea de evaluare a performanțelor acestora.

intensitatea radiaţiei solare, în W/m2, temperatura aerului exterior, în 0C; umiditatea relativă a aerului exterior, în %, viteza vântului de referinţă, în m/s.

1.1.Radiația solară.

Soarele a fost, este și probabil vafi încă pentru mult timp cea mai importantă sursă de energie utilizată de om.

Și este gratuită și ecologică, motiv pentru care prezintă un deosebit interes pentru o mare gamă de aplicații.

Soarele este o stea de mărime mijlocie care datorită reacţiilor termonucleare de transformare a hidrogenului în heliu, emite practic continuu în spaţiu o cantitate imensă de energie radiantă.

Radiația solară se propagă în spațiu sub forma undelor electromagnetice.

Spectrul de emisie se compune din radiaţii cu lungime de undă scurtă şi lungă.



III

26

Pentru a atinge suprafaţa terestră, radiaţia solară trece prin atmosferă, unde o parte din energia sa este disipată prin :

difuzie moleculară (în mod special razele U.V.); reflecţie difuză pe aerosolii atmosferici (picături de apă, praf,…) absorbţie selectivă în gazele atmosferice.

Radiaţia globală asupra suprafeţei terestre este suma: Radiaţiei directe, după ce aceasta a trecut prin atmosferă şi a Radiaţiei difuze care provine din toate direcţiile.

La nivelul atmosferei terestre, la o distanţă astronomică egală cu unitatea, adică distanţa medie

Pământ - Soare, intensitatea radiaţiei solare este o constantă, denumită constantă solară şi anume CS = 1,353 kW/m2.

Radiaţia solară primită de suprafaţa pământului diferă de cea care ajunge la limitele superioare ale atmosferei .

Radiaţia solară pătrunsă în atmosfera pământului suferă o serie de modificări. Astfel, la cca 88km deasupra solului sunt reţinute radiaţiile X , radiaţiile gamma şi o parte din radiaţiile ultraviolete.

În continuare, moleculele de gaz ale straturilor mai dense ale atmosferei provoacă reflexia radiaţiilor luminoase vizibile în toate direcţiile, fenomen denumit difuziunea Rayleigh. Pe măsura apropierii de suprafaţa terestră, difuziunea este intensificată de prezenţa prafului în atmosferă, procesul primind numele de reflexie difuză. Ca urmare a difuziunii undelor scurte, o parte din energia solară se reîntoarce în spaţiu în timp ce restul energiei de undă scurtă se îndreaptă spre pământ sub numele de radiaţie difuză.

Procesul de difuzie este un proces de reflexie şi nu de schimbare a lungimii de undă, fapt pentru care ferestrele din sticlă obişnuită sunt transparente la radiaţie difuză la fel ca şi la radiaţia directă.

Radiaţiile infraroşii sunt afectate într-o mică măsură de procesul de difuziune, astfel că îşi continuă drumul spre sol în cea mai mare parte.

Se apreciază că pierderile totale de energie sub formele amintite mai sus sunt mai mari de 10 %.



III

27

Astfel, o suprafaţă expusă primeşte atât radiaţii directe, difuze, cât şi o parte din radiaţii globale

reflectate de obiectele din apropiere, în special pământul, pentru care coeficientul de reflexive este

denumit “albedo”. Intensitatea radiaţiei solare (în W/m2) este fluxul radiant pe suprafaţă generat

prin receptarea radiaţiei solare pe un plan având o înclinare şi orientare oarecare. În funcţie de

condiţiile de receptare, intensitatea radiaţiei solare poate fi: totală, directă, difuză, reflectată, globală.

Intensitatea radiaţiei solare totală este intensitatea radiaţiei solare generată prin receptarea pe un plan oarecare a radiaţiei totale de la întreaga emisferă.

Intensitatea radiaţiei solare directe este intensitatea radiaţiei solare generată prin receptarea radiaţiei solare care provine dintr-un unghi solid care înconjoară concentric discul solar aparent.

Intensitatea radiaţiei solare difuze este intensitatea radiaţiei solare generată prin receptarea radiaţiei solare disperse dinspre întrega boltă cerească, cu excepţia unghiului solid care este utilizat la măsurarea intensităţii radiaţiei solare directe.

Intensitatea radiaţiei solare reflectate este intensitatea radiaţiei generată prin receptarea radiaţiei solare globale reflectată în sus de un plan orientat în jos.

Intensitatea radiaţiei solare globală este intensitatea totală a radiaţiei solare, măsurată pe un plan orizontal.



III

28



III

29

1.2. Temperatura aerului exterior (măsurată în în 0C)

Este temperatura aerului dată de termometrul uscat, măsurată conform metodologiei stabilite de

Organizaţia Mondială de Meteorologie (WMO).

1.3. Temperatura sursei de apă.

Energia necesară preparării agenţilor calo-portori depinde de temperatura sursei de apă. Aceasta se poate determina pe bază de informaţii reale aferente locaţiei de amplasare a obiectivelor proiectate sau, in cazul in care nu există asemenea surse se poate determina pe baza relaţiei :

1.4.Vântul

Prin vânt se înţelege în sensul cel mai general, mişcarea aerului atmosferic, de fapt un sistem de curenţi de aer prin care se realizează schimbul de căldură şi umiditate la nivelul solului în special şi care contribuie la echilibrarea diferenţelor de presiune care apar în masa de aer a diferitelor zone ale globului terestru.

Din punct de vedere meteorologic, vântul este un fenomen fizic ce se manifestă ca o circulaţie dirijată de aer în atmosfera terestră și se poate formaliza printr-un vector, cu mărime, direcție și sens, caracteristici deosebit de variabile in timp si spaţiu, condiţionate de contrastul baric orizontal creat in cadrul circulaţiei generale a atmosferei.

In țara noastră, deplasarea curenților de aer dintr-un loc in altul este determinate in principal de dezvoltarea diferitelor sisteme barice, care traversează Europa și în primul rând de activitatea centrilor de acţiune principali.

Se poate afirma că, spre deosebire de ceilalţi factori meteorologici, vântul are un pronunţat caracter local, cu particularităţi importante privind variaţia zilnică, sezonieră şi anuală a vitezei şi direcţiei sale, a duratei de manifestare, a structurii sale, a modificării acestor caracteristici pe verticală sau pe orizontală în raport cu diversele obstacole de la sol.

Frecvenţa vitezei şi intensităţii vântului pe diferite direcţii se stabileşte pe baza prelucrării înregistrărilor meteorologice pe perioade mai mari de timp.

La toate staţiile meteorologice din ţară, caracteristicile vântului se măsoară la înălţimi de 10 m deasupra solului.

În metrologie, viteza vântului se măsoară la o altitudine de 10m, din 10 în 10 minute și se determină valoarea medie pe intervalul de 10 minute.

Trebuie precizat însă că în manifestările climatice de scurtă durată se pot întâlni rafale de vânt cu viteze mult mai mari decât cele medii.

Viteza vântului de referinţă (în m/s )este definită ca fiind viteza vântului măsurată la o înălţime de 10 m deasupra nivelului solului, în câmp deschis, fără obstacole, în imediata apropriere şi se calculează ca valoarea medie, pe o perioadă de la 10 minute până la o oră, a valorilor instantanee.



III

30

Vântul se caracterizează prin doua elemente extrem de variabile in timp si spaţiu:

direcţia din care bate vântul, apreciata după 16 sectoare ale orizontului, si viteza, curenților de aer exprimata in m/s. Un vânt oriontal poate fi descris prin direcţia (exprimată faţă de punctele cardinale sau în raport cu unghiul faţă de nord)) şi forţa vântului.

Harta vanturilor este inclusă în Eurocodul …. Aceasta descrie viteza vanturilor pe baya probabilităţii: vânt pe o perioadă de “50 ani”.

Viteza vântului interesează pentru dimensionarea instalațiilor de încălzire centrală, precum și pentru dimensionarea instalațiilor de ventilare și climatizare.

1.5.Zăpada

Zăpada poate afecta structura clădirii dar şi buna funcţionare a captatoarelor integrate în anvelopă. Stratul de zăpadă depus este funcţie de amplasament, de caracteristicile mecanice şi forma acoperişului.



III

31

1.6.Umiditatea relativă a aerului exterior (în %) este raportul dintre presiunea vaporilor de apă

din aerul umed şi presiunea de saturaţie a vaporilor la aceeaşi temperatură şi se calculează cu relaţia:

satp

p (2.21)

în care:

- umiditatea relativă a aerului, în %; p - presiunea vaporilor de apă, în Pa;

psat() - presiunea de saturaţie a vaporilor, corespunzătoare temperaturii T, calculată cu

relaţiile:

3,237

269,17exp105,6psat pentru 0; (2.22)

5,265

875,21exp105,6psat pentru < 0; (2.23)

2. Caracterizarea climatului exterior clădirii în activitatea de concepție.

Pentru calculul sarcinii termice pentru încălzire/răcire, ventilare sau climatizare a oricărei clădiri sunt

necesare informatii climatice corecte din zona de amplasare a cladirii (ex: dimensionarea instalațiilor de

încălzire necesită informatii privind parametrii climatici, care dau condițiile extreme la care trebuie să

răspundă instalația). În continuare se prezintă aspecte legate de datele climatice utile în activitatea de

concepție și în cea de evaluare a performanțelor energetice ale clădirilor.

Temperatura aerului exterior .

Pentru instalaţiile de încălzire, ventilare şi climatizare interesează temperatura stratului de aer din apropierea suprafeţei terestre. Temperatura atmosferei exterioare este determinată de încălzirea suprafeţei terestre prin radiaţia solară, solul cald transmiţând o parte din căldura primită, prin conducţie şi convecţie, straturilor de aer învecinate.

De asemenea, o parte din radiaţia solară este absorbită de către unii constituienţi atmosferici, cum

sunt bioxidul de carbon, praful şi vaporii de apă, care contribuie la stabilirea unei temperaturi generale

a masei de aer.



III

32

Corespunzător ciclului diurn şi anual al radiaţiei solare apare şi în cazul aerului un ritm diurn și sezonier

de creştere şi scădere a temperaturii (vezi fig.11.).

Figura. 11. Variația temperaturii și umidității aerului exterior pentru luna iunie în localitatea Iasi (date extrase din baza de date METEONORM).

Variaţia diurnă a temperaturii aerului este o curbă cvasicosinusoidală cu un minim la ora 5 şi un maxim în jurul orelor 14 - 15 pentru luna iulie şi un minim către ora 7 şi un maxim la orele 15 pentru luna ianuarie.

Alături de aceste cicluri diurne şi anuale trebuie amintite modificările temperaturii aerului cu altitudinea, schimbările temperaturii aerului pe măsura depărtării de oceane sau mări spre ariile continentale, precum şi schimbările sistematice ale temperaturii aerului de la ecuator spre poli.

Pe baza înregistrărilor efectuate pe o anumită perioadă de ani, se pot trasa şapte curbe care definesc din punct de vedere al temperaturii diurna particulară a unei localităţi.

Proiectarea instalaţiilor de încălzire, ventilare şi climatizare se face pe baza unor valori reprezentative specifice acestor categorii de instalații.

Temperatura aerului exterior iarna

Temperatura de calcul a aerului exterior pentru perioada de iarna este considerată ca fiind temperatura aerului exterior din apropierea suprafeței solului, pentru localitatea considerată. Aceasta prezintă variații reale corespunzătoare ciclului radiației solare și este influențată de altitudine și de depărtarea locației în care este evaluată față de mări și oceane.

Funcție de natura aplicației, pot prezenta interes valorile anuale, lunare și zilnice.

Datorită particularităților corespunzătoare modului de alcătuire, gradului de izolare termică și masivității clădirilor, acestea interacționează cu mediul ambiant exterior rezultînd în interiorul acestora condiții diferite de microclimat.

Temperatură exterioară de proiectare pentru condițiile de iarnă este temperatura aerului exterior cu o anumită perioadă de revenire, utilizată la determinarea sarcinii termice de proiectare a unei clădiri.

Temperatura exterioară de calcul, pentru perioada rece a anului, utilizată la dimensionarea instalaţiilor de încălzire pentru România a fost determinată în cadrul STAS SR 1907 în următoarele ipoteze: Temperatura aerului interior, ti, s-a considerat constantă pe toată perioada de încălzire. Între temperatura aerului interior si temperatura superficiala a fiecărui element de construcţie

delimitator, i, nu trebuie sa existe o diferenţa mai mare de 0,3oC, pentru structuri cu inertii termice diferite, în cazul unor variații ale temperaturi aerului exterior, exprimate prin curbe caracteristice medii



III

33

de tip cvasicosinusoidale 36 . Selectarea curbelor s-a realizat din intervalul de observații meteorologice 1961-1990. S-a obținut astfel, pentru o anumită localitate și n structuri exterioare, caracterizate prin n indici de inerţie termică, n temperaturi exterioare de calcul. Pentru a simplifica lucrurile s-a considerat ca structură etalon o structură cu pereții exteriori realizați din zidărie de cărămidă cu grosimea 1½ cărămizi, iar ca temperatură a aerului exterior temperatura cu perioada de oscilație de 2 zile. Pentru considerarea caracteristicilor altor structuri s-a introdus un coeficient de amendare numit coeficient de masivitate termică, conform relației 2.24.:

în care:

te-temperatura exterioară de calcul pentru structura etalon; tec-temperatura corespunzătoare unei structuri cu o anumită masivitate termică.

În aceste condiții se putea opera cu o singură temperatură exterioară dar se putea considera și efectul masivităților termice diferite de cea standard.

Temperaturile exterioare convenţionale de calcul se consideră în conformitate cu harta de zonare climatică a teritoriului României, pentru perioada de iarnă, inclusă în SR 1907-1/97, conform căreia teritoriul României se împarte în 4 zone climatice, caracterizate prin : - zona I tec = - 12oC, pentru temperaturi exterioare -11 -13 oC; - zona II tec = - 15oC, pentru temperaturi exterioare -14 -16 oC; - zona III tec = - 18oC, pentru temperaturi exterioare -17 -19 oC; - zona IV tec = - 21oC, pentru temperaturi exterioare -19 -22 oC.

Temperatura aerului exterior vara

Parametrii de calcul pentru perioada de vară se consideră pentru situaţia cea mai defavorabilă, adică pentru luna iulie, deoarece numărul zilelor consecutive însorite concomitente corespunde unor temperaturi şi intensităţi ale radiaţiei solare mai ridicate şi durata efectivă de strălucire a soarelui este mai mare.

Pentru încăperile ventilate sau climatizate care nu funcţionează în această lună, se stabilesc valori de calcul pentru luna iunie.

În tehnica ventilării se deosebesc două situaţii specifice şi anume : cazul instalaţiilor de climatizare care au rolul de a asigura condiţiile interioare impuse din

considerente tehnologice sau de confort chiar pentru valori ale parametrilor climatici exteriori de mică frecvenţă;

cazul instalaţiilor de ventilare mecanică sau naturală organizată care au rolul, cel puţin în situaţia de vară, de a limita maximal creşterea temperaturii sau a umidităţii relative a aerului interior, pentru frecvenţe mai mari de manifestare a parametrilor climatici exteriori decât în cazul anterior.

În practica curentă de proiectare se folosesc temperaturile medii lunare asociate cu variaţiile diurne ale temperaturii aerului exterior ale localităţii considerate.

Temperatura efectivă a aerului exterior este parametrul fizic real care influenţează mărimea aporturilor de căldură pătrunse în interior.

Temperatura efectivă are o variaţie diurnă care, cu suficientă aproximaţie, poate fi exprimată sub forma :

36

Curba caracteristica medie este media a 6-8 curbe reale de variație a temperaturii medii a

aerului exterior, pentru un interval de 6-10 zile, când temperatura scade sub 5-6oC.

24.21

)(

/()

ei

eieci

t

ttm



III

34

)(24

2cos Mzeme Att

(2.25)

unde : tem - temperatura medie zilnică (STAS 6648/2 ) Az - amplitudinea oscilaţiei de temperatură (STAS 6648/2)

- ora pentru care este calculată temperatura M - ora la care se realizează temperatura maximă.

Reprezentarea grafică a acestei variaţii a evidențiat o valoare minimă la ora 2 , și una maximă la ora 14 (…).

În realitate, valoarea minimă a temperaturii se realizează la ora 5 dimineaţa, iar valoarea maximă la ora 15, deci intervalul dintre minim şi maxim este de 10 ore şi nu de 12 ore. Pe aceste considerente s-a introdus pentru primul termen al membrului 2 un coeficient de corecţie C care este în funcţie de oră, obţinându-se relaţia :

zeme ACtt (2.26)

unde : C Az - reprezintă abaterea orară a temperaturii aerului exterior faţă de media zilnică (STAS 6648/2).

Valorile de calcul tem şi Az se bazează pe prelucrarea şi interpretarea statistică a înregistrărilor meteorologice pentru fiecare localitate în parte, valorile tem fiind indicate pentru gradul de asigurare al clădirii care se stabilește în funcţie de categoria de importanţă a acesteia conform STAS 6648/237.

Temperatura de calcul necesară pentru reprezentarea punctului de stare a aerului exterior se va considera egală cu cea maximă zilnică pentru gradul de asigurare adoptat în cazul instalaţiilor de condiţionare :

zemev Att (2.27)

şi egală cu temperatura maximă lunară în cazul instalaţiilor de ventilare mecanică şi natural organizată :

zmlev Att (2.28)

unde : tml - temperatura medie lunară caracteristică localităţii considerate (STAS 6648/2).

Viteza vântului .

Viteza de calcul a vântului pentru dimensionarea instalațiilor de încălzire.

Pentru conceperea clădirilor și instalațiilor de încălzire aferente viteza vântului interesează pentru determinarea infiltrațiilor de aer. Dar infiltrațiile de aer sunt dependente și de diferența de presiune interior-exterior, respectiv diferența de temperatură interior-exterior.

În acest scop, pentru determinarea infiltrațiilor de aer s-au realizat prelucrări statistice asupra vitezei vântului și temperaturii aerului, respectiv pentru identificarea concomitenței temperaturilor scăzute cu vitezele mari ale vântului și conform acestor prelucrări s -a realizat o zonare a teritoriului țării în 4 zone climatice, zonare caracterizată prin aceeași viteză de calcul a vântului, prezentată în SR 1907.

Date fiind condițiile de măsurare ale vitezei vântului de calcul, pentru înălțimi mai mari de 10m

37 Se precizează faptul că normele europene sunt în prezent în curs de îmbunătățire, pentru preluarea particularităților

schimbărilor climatice, iar în România STAS 6648/2 nu a fost revizuit din 1982. Practic acestea nu reflectă particularitățile

actualelor date climatice, nu sunt armonizate cu normele europene și nu permit o corectă evaluare a performanțelor

energetice.



III

35

de sol aceasta trebuie corectată, cu relația:

m

H

Hvv )

10(10 , (2.29)

În care:

Hv , viteza vântului la o înălțime H față de sol, în m/s

10v , viteza vântului la o înălțime H=10m față de sol, în m/s

H, înălțime H față de sol m=0,13, pentru România

Se precizează faptul că cel puțin valorile indicate nu mai corespund cu caracteristicile climei recente, datorită schimbărilor majore apărute.

În plus, la ora actuală, grație sateliților meteo cu înregistrări continui se poate realiza o analiza a vitezei vântului cu mult mai mare precizie, și se pot determina valori mult mai utile pentru concepția ajutată de calculator.

Viteza de calcu a vântului pentru dimensionarea instalațiilor de ventilare și climatizare se determină diferit și anume, pentru perioada caldă și pentru perioada rece a anului.

Pentru perioada rece a anului aceasta se determină similar cu cazul instalațiilor pentru încălzire.

Pentru perioada caldă a anului aceasta se determină pentru luna iulie, se ține seam de faptul că după-amiaza aceasta depășește cu 50-60% valoarea medie și de asemenea se impune o corecție pentru clădirile cu regim de înălțime mai mare de 10 m.

Umiditatea relativă a aerului exterior.

Asemănător variaţiilor de temperatură ale aerului exterior, dar în raport invers, întâlnim şi în cazul umidităţii relative o variaţie diurnă şi o variaţie anuală.

Umiditatea aerului exterior interesează în calculul de dimensionare a instalațiilor de ventilare și climatizare. Este necesară în scopul stabilirii celui de-al doilea parametru, care împreună cu temperatura de calcul, să permită stabilirea poziţiei punctului de stare a aerului exterior.

Conţinutul de umiditate al aerului exterior, este în funcţie de temperatură, deci de zona climatică în care se află localitatea.

Valorile de calcul ale conţinutului de umiditate rezultate pe baza prelucrării şi interpretării înregistrărilor meteorologice sunt determinate pentru fiecare localitate în parte şi sunt diferite în cazul instalaţiilor de climatizare faţă de instalaţiile de ventilare mecanică şi natural organizată (STAS 6648/2).

Pentru perioada de iarnă valoarea considerată este aceeași pentru tot teritoriul țării și pentru instalațiile de ventilare și pentru cele de climatizare și anume e=80%.

Pentru perioada caldă valorile sunt determinate diferit pentru instalațiile de climatizare și cele de ventilare mecanică și natural organizată și sunt indicate în STAS 6648/2.

Se impune și aici remarca legată de faptul că o analiză comparată a valorilor incluse în STAS 6648/2 și a celor obținute prin prelucrarea datelor sateliților meteorologi pune în evidență necesitatea revizuirii și a acestor date climatice de calcul precum și a metodei de evaluare a acestora.

Radiaţia solară.

Cantitatea de energie radiantă primită de o suprafaţă de control de pe glob depinde de unghiul sub care cad pe pământ razele soarelui. Pentru un unghi α faţă de orizontală Ia se calculează cu relaţia:

Ia= Id+ IDNxcos(β) (2.30)



III

36

Ia= Id+ IDNx[sin(h)xcos(β)+ cos(h)xsin(α)xcos(aS-a)] (2.31)

unde: IDN, radiaţia solară directă pe suprafeţe normale la rază, β, unghiul pe care-l face raza incidentă cu normala suprafeţei receptoare, în grade; α, unghiul suprafeţei receptoare faţă de orizontală, în grade a, unghiul de azimut solar, raportat faţă de amiaza solară, (pozitiv pentru orele de dimineaţă,

negativ pentru orele de după amiază), în grade h, unghiul de înălţime a soarelui; aS, unghiul de azimut al suprafeţei receptoare.

Fig. 12. Intensitatea radiației solare

Fig. 13.

Pentru suprafeţele verticale (α=900) radiaţia solară se calculează cu relaţia

I90= Id+ IDNxcos(β)=Id+ IDNx[cos(h)xcos(aS-a)] (2.32)



III

37

Dacă se cunoaşte radiaţia solară care cade pe o suprafaţă verticală cu o anumită orientare se poate

determina radiaţia solară Iγ pe care o primeşte suprafaţa dacă aceasta este înclinată cu unghiul γ faţă

de verticală cu relaţia:

cosh

)cos()(

hIIII dd

(2.33)

unde:

I şi Id, radiaţia totală şi difuză; γ, unghiul de înclinare a suprafeţei faţă de verticală h, unghiul de înălţime solară Cei doi factori conduc la o variaţie diurnă şi sezonieră a intensităţii radiaţiei solare. La acestea

trebuie să asociem latitudinea geografică, altitudinea, gradul de nebulozitate al atmosferei precum şi orientarea suprafeţei la care ne referim.

Intensitatea radiației solare intervine în calculul aporturilor solare și în dimensionarea instalațiilor solare de generare a energiei termice și electrice.

a)Poziția solară văzută dintr-un punct de pe suprafața solară

b)Poziție soare (declinație, unghi zenital și unghi orar)



III

38

c)Radiația solară extraterestră G0 și radiația solară maximă pe cer senin Gh max

Fig. 14.

Radiaţia solară intervine în calculele pierderilor de căldură pentru încălzire conform STAS

1907 prin adaosurile de orientare.

Pentru evaluarea aporturilor de căldură pentru ventilare și climatizare, valorile de calcul ale

intensităţii radiaţiei solare directe şi difuze sunt stabilite ca medii ale maximelor înregistrate pe timp

de 10 zile ale lunii de calcul şi numărul de ani analizaţi. Aceste valori de calcul sunt pentru suprafeţele

verticale şi orizontale conform STAS 6648/2.

În calculul aporturilor de căldură pentru elementele inerţiale se folosește pentru intensitate totală

expresia :

dD IIaaI 21 (W/m2) (2.34)

iar pentru intensitatea medie :

dmDmdD

m IIIIaa

I

24

21 (2.35)

unde :

ID - intensitatea radiaţiei solare directe funcţie de orientare şi oră ; Id - intensitatea radiaţiei solare difuze funcţie de ora de calcul ; Im - media pe 24 ore a intensităţilor radiaţiei solare totale ; IDm- media pe 24 de ore a intensităţii radiaţiei solare directe ; Idm - media pe 24 de ore a intensităţii radiaţiei solare difuze ; a2 - factor de corecţie pentru localităţile situate la altitudini mai mari de 500 m; a1 - factor de corecţie funcţie de starea atmosferică.

Pentru calculul aporturilor de căldură prin ferestre şi luminatoare se folosesc valorile maxime ale

intensităţii radiaţiei solare directe pentru suprafeţele direct însorite şi valorile maxime ale intensităţii

radiaţiei difuze pentru suprafeţele umbrite.



III

39

Pentru suprafeţe înclinate cu un unghi faţă de orizontală, intensitatea radiaţiei solare directe se

calculează în funcţie de intensitatea radiaţiei solare incidente cu relația:

cosDND II (2.36)

Unghiul este variabil, în funcţie de lună, latitudine şi unghiul (fig. 14).

Valorile de calcul ale intensităţii radiaţiei solare sunt aceleaşi atât pentru instalaţiile de

condiţionare cât şi pentru cele de ventilare mecanică şi natural organizată.

În prezent, în scopul armonizării normelor de proiectare la nivel european s-a promovat norma SR

EN ISO 15927, cu fascicolele:

EN ISO 15927-1:2003 -Valori medii anuale si lunare pentru parametrii climatici. SR EN ISO 15927-5:2006 Performanţa higrotermică a clădirilor. Calculul şi prezentarea datelor

climatice: Date pentru sarcina termică de proiectare pentru încălzirea spaţiilor. SR EN ISO 15927-2:2008: Definitii si metode specifice de calcul si prezentare pentru valorile medii

lunare ale parametrilor climatici exteriori utilizati in proiectarea instalatiilor de conditionare si a celor de racire.

Concluzie: Aceste norme nu sunt armonizate cu reglementările naționale privind proiectarea

clădirilor și instalațiilor aferente.

http://www.magazin.asro.ro/index.php?pag=3&lg=1&cls0=1&cls1=0&cls2=0&cls3=0&cls4=0&id_p=1350289





III

40

3. Caracterizarea climatului exterior clădirii în activitatea de evaluare a performanțelor energetice.

Când se evaluează însă performanța energetică a unei clădiri și a instalațiilor aferente, este necesar să se poată considera răspunsul energetic al acesteia nu în condițiile climatice extreme, statice ci în cazul real de manifestare a climei exterioare, prin considerarea dinamicii parametrilor climatici pe toată perioada de interes, deoarece, numai această manieră de considerare poate evidenția performanțele de reglare ale unor sisteme de încălzire (care pot conduce la reducerea consumului de energie cu până la 70%).

În aceste condiții sunt considerate datele normale anuale. In acest sens, au fost folosite informatiile climatice de la bazele de date disponibile. Ca și indicație

generală se precizează faptul că ”stabilirea valorilor parametrilor necesari pentru calculul performanţei energetice a clădirilor se face, conform SR EN 15927/438 şi SR EN 15927/619 pe baza datelor măsurate în raport cu prevederile metodologiei stabilite de Organizaţia Mondială de Meteorologie şi prelucrate în conformitate cu reglementările tehnice în vigoare”.

Se mai precizează faptul că, având în vedere că în România nu a existat, o bază de date climatice orare, prelucrate conform normei SR EN ISO 15927-4:2006, ”se recomandă folosirea datelor indicate în SR 1907 și STAS 6648”.

Datele necesare pentru stabilirea parametrilor de climat exterior utilizate de către metodologia de evaluare a performanțelor energetice MC01, MC02:2006 sunt: Temperatura aerului exterior:

valori medii orare în anul climatic reprezentativ; valori medii lunare; valori convenţionale.

Umiditatea relativă a aerului exterior Intensitatea radiaţiei solare Viteza medie a vântului

Valorile parametrilor climatici prezentaţi mai sus se utilizează în diferitele etape ale calculului performanţei energetice a clădirilor. În metodologie se precizează în mod explicit:

38 Standarde/norme pentru determinarea datelor climatice necesare evaluarii performantelor energetice ale cladirilor, EN ISO 15927: Performanţa higrotermică a clădirilor. Calculul si prezentarea datelor climatice. (Hygrothermal performance of buildings – Calculation and presentation of climatic data ): SR EN ISO 15927-4:2006 Performanţa higrotermică a clădirilor. Calculul şi prezentarea datelor climatice: Date orare

pentru evaluarea consumului anual de energie pentru încălzire şi răcire [Hygrothermal performance of buildings - Calculation and presentation of climatic data - Part 4: Hourly data for assessing the annual energy use for heating and cooling (ISO 15927-4:2005). Performance hygrothermique des bÔtiments - Calcul et prÚsentation des donnÚes climatiques - Partie 4: DonnÚes horaires pour l'Úvaluation du besoin ÚnergÚtique annuel de chauffage et de refroidissement (ISO 15927-4:2005)]

SR EN ISO 15927-6:2008 Performanţa higrotermică a clădirilor. Calculul şi prezentarea datelor climatice: Diferenţe de temperatură cumulate (grade-zi) Hygrothermal performance of buildings - Calculation and presentation of climatic data - Part 6: Accumulated temperature

differences (degree-days) (ISO 15927-6:2007). Performance hygrothermique des bÔtiments - Calcul et prÚsentation des

donnÚes climatiques - Partie 6: Ecarts de tempÚrature cumulÚs (degrÚs-jour) (ISO 15927-6:2007)

”În cazul în care sunt disponibile date, aceste valori pot fi extrase din tabele sau hărţi realizate prin prelucrarea datelor meteorologice în conformitate cu reglementările tehnice în vigoare (document recomandat SR EN 15927-1). În lipsa unei baze de date climatice complete, se pot utiliza valorile date în următoarele documente recomandate: SR 4839-1997 (temperaturi medii lunare); STAS 6648/2-82 (temperaturi medii zilnice pentru lunile de vară, intensitatea radiaţiei solare); SR 1907/1-97 (viteza convenţională a vântului de calcul, în funcţie de zona eoliană).”







III

41

Temperaturile exterioare convenţionale de calcul se consideră în conformitate cu harta de zonare climatică a teritoriului României, pentru perioada de iarnă. Așa cum s-a precizar, SR 1907-1/97 cuprinde această hartă, conform căreia teritoriul României se împarte în 4 zone climatice, cu valori prestabilite:

- zona I e = - 12oC

- zona II e = - 15oC

- zona III e = - 18oC

- zona IV e = - 21oC

4. Baze de date climatice utilizate în activitatea de concepție și/sau evaluare a performanțelor energetice ale clădirilor și instalațiilor aferente.

Activitatea de concepție și/sau evaluare a performanțelor energetice ale clădirilor și instalațiilor aferente se realizează în foarte mare măsură cu ajutorul softurilor specializate. În cadrul acestor softuri se introduc module/subrutine/componente care permit determinarea datelor climatice de interes pentru aplicația respectivă pe baza datelor meteorologice, existente în baze de date special destinate softurilor respective sau prin interogarea interactivă a bazelor de date care aparțin la diverse organisme europene și internaționale de baze de date meteorologice.

În România, baza de date fizice a Administratiei Nationale de Meteorologie contine date brute39, primare40 si derivate41. Principalele date primare/brute din Baza de Date a Administratiei Nationale de Meteorologie sunt: date climatologice generale ( orele de observatie 00, 06, 12, 18 ) si de sinteza de la 264 statii,

orare/zilnice/lunare, din perioada 1961-2003, validate date zilnice de temperatură (medii, maxime, minime) de la 42 statii, întreaga perioada de

functionare, validate42 date privind cantitatea zilnică de precipitatii43 de la cca 2200 puncte de măsurare (posturi si statii),

din întreaga perioada de functionare date orare de temperatură, presiune si umezeala aerului24, 219 statii, perioada 1961-2003, cu mari

discontinuitati, partial validate date orare privind durata de strălucire a soarelui24 de la 30 statii, perioada 1986-2003, partial

validate date de meteorologie aeronautică44 pentru 6 aeroporturi, perioada 1981-1995, validate date operative sinoptice (triorare) din perioada 1990-2000 si sinoptice (orare) din perioada 2001-

prezent, nevalidate metadate -date despre istoricul tuturor statiilor meteorologice si posturilor pluvio.

Se poate constata că datele disponibile sunt limitate, în spațiu și timp și pentru exploatarea lor în scopul conceperii și evaluării clădirilor și instalațiilor aferente trebuie prelucrate.

39 datele meteorologice obtinute ca rezultat al activitătilor de observare si măsurare se numesc date meteorologice brute 40 datele meteorologice rezultate în urma verificării si corectării (validării) definitive a datelor brute se numesc date

meteorologice primare 41 datele meteorologice care rezultă din datele primare prin aplicarea unor algoritmi specializati se numesc date

meteorologice derivate 42 fisier TEMPERA 43 tabele TM2, TM3, TM4, TM5 44 METAR



III

42

Prin prelucrarea acestor date cu algoritmii precizați în SR EN ISO 15927 se pot obține datele climatice de proiectare sau evaluare. Însă, eforturile de accesare a datelor și de prelucrare a lor sunt relativ mari, dacă acțiunea este individuală.

Pentru operabilitate soluția de accesare a unei baze de date climatice cu softuri care au inclusi algoritmii de prelucrare în scopul vizat este o soluție mult mai precisă și facilă.

O altă metodă de accesare a bazelor de date climatice vizează accesul la bazele de date satelitare45, care în general au inclusi si algoritmii de tratare a acestora in scopul utilizării în calculele de proiectare și evaluare.

Printre bazele de date satelitare cu accesare în timp real și algoritmi de prelucrare avansați pentru conceperea, evaluarea performanțelor energetice, simularea comportamnetului clădirilor și instalațiilor aferente, sistemelor de utilizare a energiilor neconvenționale se află : baza de date METEONORM care are implementați algoritmii de tratare a datelor elaborați de

compania METEOTEST și care a fost utilizată în general în cadrul marilor programme de proiectare/simulare din domeniul clădirilor și sistemelor de instalații aferente instalațiilor din tările vest –europene ;

baza de date a Agenției spațiale Americane- NASA dezvoltată în colaborare cu RETScreen International –Centrul pentru energii curate.

Satellite, Terrestrial…, ș.a.

În prezent sunt plasați în spațiu diverși sateliți care permit achiziția de imagini asupra globului, de mare rezoluție și în timp real: satelitii meteorologici geostationari (MSG1 -Primul METEOSAT din a II-a Generatie; METEOSAT-7) si polar-orbitali NOAA/AVHRR (Satelit lansat de Administratia Nationala Americana de Supraveghere a Oceanelor si Atmosferei/ Radiometru de rezolutie spatiala si spectrala inalta) si polari orbitali EPS (Sateliti Polari orbitali lansati de Organizatia Europeana de Exploatare a Satelitilor Meteorologici), NASA SSE, Satellight, ESRA, PVGIS (Figura 15.). O bază de date poate colecta date de la un număr foarte mare de sateliți: ex: baza de date NASA (Fig. 15) sau RETScreen sau METEONORM.

Natura datelor climatice preluate de acesti sateliți variază relativ mult unele față de altele. Unele sunt destinate exclusiv unor aplicații înguste (Satellight, PVGIS) în timp ce altele au o aplicabilitate mult mai largă (NASA, METEONORM). Pe de altă parte precizia informațiilor furnizate în raport cu datele măsurate este și ea destul de diferită de la un satelit la altul. Numărul de mărimi disponibile; intervalul de timp pentru care sunt disponibile, acuratețea/precizia datelor sunt alte mărimi care fac ca alegerea bazelor de date și respectiv a sateliților accesați să se realizeze după o prealabilă analiză a acestor aspecte. Pentru exemplificare, în figura 16. sunt prezentate abaterile în raport cu mărimile măsurate efectiv pentru radiația solară globală obținută cu ajutorul sateliților amintiți mai sus.

45 Satelitii meteorologici sunt utilizati pentru obtinerea de informatii, in timp real, asupra starii atmosferei terestre si

determinarea parametrilor geofizici, prin prelucrarea numerica a imaginilor. Un satelit meteorologic este un satelit artificial al

Pamantului special dotat pentru masuratori meteorologice si caruia i s-au impus caracteristici speciale de vehiculare in spatiu.

Sunt utilizati pentru obtinerea de informatii, in timp real, asupra starii atmosferei terestre si determinarea parametrilor

geofizici, prin prelucrarea numerica a imaginilor. Aparatura specifica cu care operează un satelit este in principal urmatoarea:

una (sau doua camere de luat vederi) prevazuta cu obiectiv obturator si tub vidicon; radiometru de explorare cu oglinda;

instrument pentru convertirea imaginilor televizate sau informatiei energetice insemnale radioelectrice; sistem de

inregistrare pe banda magnetica; emitator radio pentru transmiterea automata a semnalelor electrice, cu frecventa modulata.

La sol se află o serie de statiile de receptie si prelucrare a datelor satelitare45. Pe plan mondial, volumul datele satelitare

furnizate de satelitii meteorologici creste permanent datorita maririi rezolutiei geometrice si radiometrice a acestora, a

cresterii numarului de senzori imbarcati. De asemenea crește și puterea de calcul necesara prelucrarii acestor date, atat din

cauza cantitatii mari de informatie dar si a dezvoltarii de algoritmi performanti și gurmanzi in ceea ce priveste timpul de

calcul (recunoasterea automata a norilor, determinarea profilelor verticale de temperatura si umezeala etc).



III

43

Fig. 15.Sateliți de observație NASA pentru cercetările asupra TERREI

Figura. 16.Abateri maxime/minime de la valorile măsurate pentru radiația solară globală furnizată de diferite baze de date climatice în diferite locații (situri).

De asemenea, un alt aspect care trebuie avut în vedere la alegerea unei anumite baze de date este legat de prezența zonelor cu incertitudine ridicată. În METEONORM, România are asemenea zone cu incertitudine ridicată, motiv pentru care această bază de date nu se recomandă pentru aceste zone (zonele marcate din figura 17.).



III

44

Figura 17.: zone cu incertitudine ridicată pe harta cu radiașia solară globală întocmită de METEONORM.

De asemenea, baza de date NASA-SSE indică abateri ale valorilor furnizate față de cele măsurate.

Este motivul pentru care, în dezvoltarea cercetării am utilizat baza de date METEONORM numai pentru localitățile pentru care există stații meteo (București, Timișoara, Cluj-Napoca, Constanța, Galați, Craiova). Pentru restul localităților am utilizat baza de date NASA SSE.

Tabelul. 2.15. Evaluarea valorii lunare medii statistice.

Nume Parametru Versiune anterioaă Corecție de altitudine

Bias RMS Bias RMS

1. Radiația solară totală pe bolta cerească -1.8% (-0.7%) 12.1% (7.7%) na na

2. Temperatură aer -0.58 oC 2.1

oC -0.02

oC 1.60

oC

3. Umiditate relativă -1.9% 9.2% ned ned

4. Grade-zile încălzire 17.0 dd 73.2 dd 0.6 dd 60.7 dd

5. Grade-zile răcire -5.7 dd 28.7 dd 1.4 dd 25.6 dd

6. Temperatură pământ variabil +/- 1-2 K na na

7. Amplitudine Temperatură la nivel Sol variabil +/- 1-2K na na

8. Presiune atmosferică -10.37 mb 27.43 mb 0.50 mb 3.43 mb

9. Temperatură calcul încălzire ned ned na na

10. Temperatură calcul răcire ned ned na na

11. Altitudine ned ned na na

() = 60o N - 60

o S; na = ne se aplica; ned = nu este disponibilă

Interogarea acestor baze de date, prin intermediul interfețelor specializate se poate face prin precizarea locației și datelor solicitate. Locația se poate preciza: nominal (dacă este o locație în care există o sație meteo); pe baza coordonatelor geografice (figura 18.a) sau prin indicarea pe hartă a locației. (figura 18.b.); Referitor la datele solicitate utilizatorul trebuie să precizeze mărimea dorită, tipul de dată (orară, lunară, anuală…), perioada, destinația de utilizare și uneori metoda statistică de determinare.



III

45

Figura. 18.

a)Indicare coordonate locație.

b)Sesizare grafică locație.

Datele disponibile în această bază de date sunt mult mai rafinate și permit acoperirea întregului teritoriu al țării. În cadrul a diverse proiecte internaționale s-a alcătuit atlasul cu hărțile diferitelor mărimi (radiație solară globală, vînt…).

De exemplu, METEOTEST din Elveția a alcătuit pentru METEONORM harta cu radiația solară globală la nivelul Europei (figura 19, figura 20.).



III

46

Figura 19.: Harta radiației solare globale la nivelul Europei.

Fig. 20.Harta radiației solare globale, pentru luna mai 2009, obținută prin satelit

Pentru diferite alte analize se pot întocmi hărți cu datele dorite. Analiza unora dintre hărți este foarte utilă în dezvoltarea proiectelor de valorificare a energiilor regenerabile în domeniul clădirilor46.

46 De exemplu, din analiza hărților de mai sus se poate concluziona faptul că în România există un potențial solar mult mai bun decât în Germania sau Elveția unde au fost utilizate pe scară largă sistemele solare.



III

47

Pentru dezvoltarea unor proiecte eficiente, respectiv pentru stabilirea celor mai bune strategii de valorificare a energiilor regenerabile pentru clădiri construire în diferite locații din țară prezintă interes și analiza a o serie de alte date climatice cum ar fi: amplitudinea temperaturii la sol, temperatura la sol, numărul de grade zile de încălzire, numărul de grade zile de răcire, temperatura medie a perioadei de încălzire, temperatura medie a perioadei de răcire, numărul de zile cu îngheț la sol… Pentru a putea face această analiză, în cadrul cercetării s-au determinat datele climatice pentru teritoriul României, în punctele unei rețele rectangulare cu pasul de 0,5 grade latitudine și 0.5 grade longitudine, cu ajutorul bazei de date NASA SSE47.

Datele extrase s-au reprezentat ca suprafață 3d și suprafață 2D cu interpolare grafică color. Prelucrarea datelor s-a realizat cu ajutorul softului Compaq Array Visualizer.

În figura 21. s-a reprezentat harta cu numărul de grade zile de încălzire/răcire. Se observă o variație relativ importantă a ambelor caracteristici energetice ale unei locații.

Fig. 21. Număr grade zile încălzire/răcire

Număr grade zile încălzire

Număr grade zile răcire

Numărul cel mai mare de grade-zile de încălzire se află în zona muntoasă (Ex. Vârfu Omu: 7000), dar în reprezentare s-au eliminat zonele muntoase nelocuibile, caracterizate de un număr mare de grade zile de încălzire.

Numărul cel mai mare de grade-zile de răcire se află în zona de sud (Giurgiu: 1809).

47 Se precizează faptul că rețeaua poate fi mult mai rafinată, dar din motive de timp de accesare a bazei de date s-a optat pentru acest pas.



III

48

În conceperea clădirilor de tip pasiv, o mare importanță o prezintă și temperatura la nivelul solului, respectiv dinamica acesteia în timp, deoarece o seamă de strategii menite să exploateze energia solară stocată în sol depind de aceste temperaturi. În fig. 22. se reprezintă amplitudinea temperaturii la nivelul solului, temperatura solului și numărul de zile cu îngheț la sol.

Figura. 22.

Amplitudine temperatura sol

Temperatura sol

Numar zile cu înghet la sol

O informație globală asupra temperaturilor medii ale sezonului de încălzire/răcire este un indicator care poate evidenția de asemenea dimensiunea variațiilor pe teritoriul României și respectiv, poate



III

49

furniza informații pentru o primă analiză asupra strategiilor de clădiri pasive aplicabile în diverse locații din România.

În figura 23. se prezintă harta cu temperatură medie sezon încălzire, iar în figura 24, se prezintă harta cu temperatură medie sezon răcire.

În figura 25. se prezintă harta cu radiație solară medie În figura 25. se prezintă harta cu număr grade zile încălzire/răcire la nivelul României și la nivel

european.

Figura 23. Temperatură medie sezon încălzire

Figura 24. Temperatură medie sezon răcire

Figura 25. Radiație solară medie

Se poate observa faptul că teritoriul extra-carpatic, sud-est și est se diferențiază destul de mult ca și

comportament climatic de teritoriile studiate în cadrul proiectelor europene de implementare a

clădirilor pasive, caz în care se impune o cercetare aprofundată a efectelor diferitelor strategii sau chiar

impunerea uneor noi strategii.



III

50

Fig. 26. Particularități climatice România

Număr grade zile încălzire: În Europa: 616-2082; În România: 1990-4450

Număr grade zile răcire: În Europa:2-1334; în România: 852-1809

Observații generale:

Numărul de grade zile de încălzire în România este mult mai mare decât în Europa de Vest și centrală: numărul de grade zile cel mai ridicat din țările UE din afara României este 2082 în timp ce în România, în majoritatea teritoriului, cu excepția Dobrogei, numărul de grade zile este net superior acestei valori (de circa două ori mai mare în general).

Număr grade zile răcire pentru localitățile din sud-estul României este comparabil cu cel al zonelor climatice din Europa de Sud. Pentru restul zonelor acesta este comparabil cu cel al zonel climatice din Europa centrală.

Concluzie:

Nu există o bază de date climatice accesibilă pentru activitatea proiectanților, armonizată cu spiritul și metoda metodologiei.

Datele climatice existente au avut la bază prelucrarea statistică a datelor meteorologice din perioada 1961-1990.



III

51

Capitolul III.

Valorificare energie eoliană

1.Repere istorice în valorificarea energiei eoliene.

Energia eoliană este o sursă de energie regenerabilă generată de vânt.

Încă din zorii civilizației omenești48

, omul a identificat vântul, ca posibilă sursă de energie și de

atunci, în mod continuu s-a preocupat de valorificarea acestei resurse energetice în diferite scopuri și cu

diferite tehnologii, mai mult sau mai puțin eficiente. La început, energia vântului era utilizată în

navigația maritimă (mișcarea corăbiilor cu pânze) și apoi, în morile de vânt la pomparea apei și măcinat.

Se presupune că egiptenii utilizau vasele cu pânze înainte de anii 3.000 î.e.n.

În jurul anului 700, s-a descoperit una dintre cele mai uzuale soluții de valorificare a energiei

eoliene și anume măcinarea grăunţelor cu maşini eoliene cu axă verticală de rotaţie (soluție utilizată

pe teritoriul Afganistanului).

Cunoscutele instalaţii eoliene (mori cu elicele conectate la turn) asigurau funcţionarea unor

sisteme de irigare pe insula Creta din Marea Mediterană.

Morile pentru măcinarea boabelor, care funcţionau pe baza vântului, sunt una din cele mai mari

performanţe din evul mediu. În sec. XIV olandezii au îmbunătăţit modelul morilor de vânt, răspândite

în Orientul Mijlociu, şi au început utilizarea largă a instalaţiilor eoliene la măcinarea boabelor.

În 1854 în SUA apare o pompă de apă, care funcţiona pe baza energiei vântului. Din punct de vedere

constructiv, această pompă semăna cu modelul morilor de vânt, dar avea mai multe palete (braţe) şi un

dispozitiv pentru determinarea direcţiei vântului. Către anul 1940 în SUA peste 6 milioane de instalaţii

de acest tip se utilizau pentru pomparea apei şi producerea energiei electrice. Este socotită o premiză a

cuceririi Vestului sălbatic, datorită posibilităţii de asigurare cu apă a fermelor zootehnice.

La mijlocul secolului XX, odată cu descoperirea petrolului, energia vântului pierde competiția cu

această nouă sursă de energie, mult mai eficientă și mai ușor de manipulat.

Interesul către energetica vântului reapare după câteva crize petroliere trăite de omenire timp de

câteva decenii. Acest lucru se petrece la începutul anilor '70, datorită creşterii rapide a preţurilor la

petrol, când, odată cu apariția primei crize energetice globale (în 1973) omenirea și-a pus problema

descoperirii și/sau valorificării unor surse energetice regenerabile. Printre sursele regenerabile cu

potențial49

de valorificare ridicat a fost identificată și energia eoliană.

De atunci și până în prezent asistăm la o continuă dezvoltare a tehnicilor de conversie si

valorificare a acestei surse de energie

Tendinţele de utilizare a vântului sunt îndreptate în primul rând pentru producerea energiei

electrice, deoarece pentru statele industrializate pompele nu sunt importante. Electricitatea poate fi obţinuta folosind diferite metode care necesita utilizarea combustibililor, in

cele mai multe cazuri de origine fosila (cărbune, gaz natural, petrol sau uraniu 235 si plutoniu 239 la

centrale termonucleare). Prin ardere sau in rezultatul fisiunii nucleare, energia primita înglobata in

combustibil se transforma in energie termica. Proiectata in mod special pentru fiecare tip de

combustibil, turbine antrenează generatorul care produce electricitate. In acest context, electricitatea

48

Acum aproximativ 10 mii de ani 49

Potenţialul eolian major este observat pe litoralurile marine, pe ridicături şi în munţi. Dar există multe alte teritorii în

care se poate întâlni un potenţial eolian valorificabil.



III

52

produsa de vânt nu se deosebeşte de cea produsa din combustibil fosil sau nuclear, putând utiliza, aceeași

infrastructură de transport – distribuție și utilizare. Vântul, in calitate de combustibil manifestă un

avantaj esenţial: este gratuit si nu poluează mediul ambiental.

În contextul actual general, expresia utilizarea energiei eoliene semnifica, în primul rând, energia

electrica nonpoluantă, produsă la o scară semnifcativă de “morile de vânt” moderne numite turbine

eoliene50.

Încercări de obţinere a energiei electrice din vânt datează de peste o suta de ani. O adevărata

înflorire a acestei tehnologii se atesta, însă, abia după criza petrolului din anul 1973. Creşterea bruscă a

preţului la petrol a impus guvernele țărilor dezvoltate să aloce substanţiale surse financiare pentru

programe de cercetare, dezvoltare si demonstrare. Pe parcursul a 20 de ani, la nivel mondial, s-a creat

o noua tehnologie, o noua industrie si de facto, o noua piaţa de desfacere: piaţa Sistemelor de

Conversie a Energiei Eoliene(SCEE)-Wind Energy Convertion Systems(WECS).

Daca in anul 1973 principalul stimulent de dezvoltare a SCEE l-a constituit preţul petrolului, astăzi

s-a adăugat un al doilea: tendinţa omenirii sa producă energie electrica “curata” sau “verde” fără sau cu

mici emisii de oxid de carbon. Anul 1993 a fost marcat ca începutul unui boom eolian care se

caracterizează printr-o creştere anuala de peste 20% a capacitaţilor de putere instalată. Astfel, in 1999,

capacitatea mondială a crescut cu 4033MW, ceea ce a constituit un record pentru filiera eoliană și, ceea

ce este foarte semnificativ, pentru prima dată a depăşit capacitatea de putere nucleară instalată în lume

în acelaşi an[1-3]. In perioada 1996-2006, capacitatea mondiala a crescut de peste 12 ori si a atins cifra

de 73904 MW in 2006 (fig. 1).

Fig. 1. Puterea eoliană instalată şi predicţii pentru 1997-2010 (Sursa: World Wind Energy Association)

50

Prin acest termen se încearcă accentuarea similarităţii cu turbinele cu abur sau gaz, folosite pentru producerea

electricităţii si totodată, se face o distincţie intre vechea si noua lor detinație.



III

53

Urmărind evoluția recentă, la scară globală, a diverselor surse de energie se poate afirma că energia eoliană este sursa de energie cu cea mai rapidă creştere în ultimii ani.

La nivel mondial, liderul incontestabil în producerea de energie electrică prin valorificarea energiei vântului este comunitatea europeana UE-27 cu o cota de 65% urmată de SUA si India (fig. 4.2). Nici-un alt sector din industria mondiala nu cunoaşte o astfel de dezvoltare spectaculoasă la nivel mondial. In anii 2007-2010 se preconizează o creştere anuala de peste 21%. Către 2010 puterea instalata mondiala va atinge 160 000MW. Pentru susținerea cercetărilor și tehnologiilor în domeniu s-a lansat Platforma tehnologică europeană privind energia eoliana. Cu prilejul lansării comisarul UE pe teme de energie A. Piebalgs a menţionat[6]:”Energia eoliana este cu siguranţa una dintre tehnologiile care se dezvolta cel mai rapid si joaca un rol important, contribuind la crearea unei politici energetice durabile si competitive in Europa”. In anul 2005, in țările UE s-a produs circa 69,5*106 MWh energie electrica eoliana. În prezent, vântul asigura cu electricitate peste 35 milioane de gospodarii din UE. La nivel global, câtre anul 2020, circa 12% din energia electrica produsa va fi de origine eoliană. În tabelul 4.1 sunt prezentate cele mai avansate 5 țări si 5 companii în domeniul energiei eoliene, la nivel mondial.

Tabelul… Energia eoliana în lume. Țara Puterea eoliană instalată

(MW) Ponderea (%)

la nivel mondial Compania Ponderea (%)

pe piața eoliană

Germania 20622 27,9 Vestas, Danemarca 27,4

Spania 11615 15,7 Gamesa, Spania 15,5

SUA 11603 15,7 GE Wind, SUA 15,3

India 6270 8,5 Enercon, Germania 14,5

Danemarca 3136 4,2 Suzlon, India 7,5

Deşi energia eoliană reprezintă încă o sursă relativ minoră de energie electrică pentru majoritatea ţărilor, producţia energiei eoliene a crescut practic de cinci ori între 1999 şi 2006, ajungându-se ca, în unele ţări, ponderea energiei eoliene în consumul total de energie să fie semnificativ: Danemarca (23%), Spania (8%), Germania (6%).

În prezent asistăm la construcția de noi turbine eoliene în toată lumea.

O estimare globală a potenţialului tehnic mondial al energiei eoliene (pentru o acoperire cu parcuri de turbine a unui procent de 12,7% din suprafaţă Pământul, excluzând oceanele, cu o densitate de acoperire de șase turbine mari de vânt pe kilometru pătrat și menținerea actualelor soluții tehnice utilizate pentru echipamentele de conversie, respectiv menținerea actualelor randamente) a condus la concluzia că acesta poate asigura de cinci ori mai multă energie decât este consumată acum.

La sfârşitul anului 2006, capacitatea mondială a generatoarelor eoliene era de 73904 MW, acestea producând ceva mai mult de 1% din necesarul mondial de energie electrică.

Pentru o cunoaştere integrala a tehnologiei conversiei energiei eoliene in energie electrica sunt necesare cunoştinţe din diverse domenii, inclusiv, meteorologie, aerodinamica, electrotehnica, inginerie mecanică si a construcţii civile. De asemenea, pentru a lua o decizie corecta in ce privesc investiţiile, sunt necesare cunoştinţe in domeniul analizei economice a proiectelor.

În cele ce urmează se va prezentă modul de estimare a potenţialului energetic eolian al României. Apoi se descrie principiul de conversie a energiei cinetice a unui flux de aer in energie mecanica, sunt prezentate formulele pentru calculul puterii fluxului de aer si limitele tehnice care diminuează eficienta conversiei. Urmează o trecere in revista a evoluţiei tehnologiilor eoliene, a principalelor scheme constructive, a tendinţelor moderne in construcţia turbinelor eoliene si in utilizarea materialelor pentru pale. Ultimul paragraf este consacrat turbinelor de putere mica si exemple de aplicaţie raţionala a acestora.

Avantaje ale utilizării energiei eoliene.

În contextul actual, caracterizat de creşterea alarmantă a poluării cauzate de producerea energiei din arderea combustibililor fosili, devine din ce în ce mai importantă reducerea dependenţei de aceşti combustibili.



III

54

Energia eoliană s-a dovedit deja a fi o soluţie foarte bună la problema energetică globală. Utilizarea resurselor regenerabile se adresează nu numai producerii de energie, dar prin modul particular de generare reformulează şi modelul de dezvoltare, prin descentralizarea surselor. Energia eoliană în special este printre formele de energie regenerabilă care se pretează aplicaţiilor la scară redusă.

Principalele avantaje pe care le prezintă energia eoliană, comparative cu formele convenționale de energie: emisie zero de substanţe poluante şi gaze cu efect de seră (nu se ard combustibili.) Nu se produc deşeuri. Producerea de energie eoliană nu implică producerea nici unui fel de

deşeuri. Costuri reduse51 pe unitate de energie produsă. Costul energiei electrice produse în centralele

eoliene moderne a scăzut substanţial în ultimii ani, ajungând în S.U.A. să fie chiar mai mici decât în cazul energiei generate din combustibili, chiar dacă nu se iau în considerare externalităţile negative inerente utilizării combustibililor clasici.

Costuri reduse de scoatere din funcţiune. Spre deosebire de centralele nucleare, de exemplu, unde costurile de scoatere din funcţiune pot fi de câteva ori mai mare decât costurile centralei, în cazul generatoarelor eoliene, costurile de scoatere din funcţiune, la capătul perioadei normale de funcţionare, sunt minime, acestea putând fi integral reciclate.

Dezavantaje ale utilizării energiei eoliene.

Principalele dezavantaje sunt: resursa energetică relativ limitată; inconstanţa datorită variaţiei vitezei vântului; număr redus de amplasamente posibile: există relativ puține locații unde valorificarea potențialului

eolian disponibil poate genera suficientă energie electrică pentru a nu mai fi necesară și utilizarea altor surse de energie;

"poluarea vizuală"; "poluare sonoră" (sunt prea gălăgioase); afectează mediul şi ecosistemele din împrejurimi, omorând păsări şi necesitând terenuri mari

virane pentru instalarea lor; Un alt dezavantaj este riscul mare de distrugere în cazul furtunilor, dacă viteza vântului depăşeşte

limitele admise la proiectare. Oricât de mare ar fi limita admisă, întotdeauna există posibilitatea ca ea să fie depăşită;

La început, un important dezavantaj al producţiei de energie eoliană a fost preţul destul de mare de producere a energiei şi fiabilitatea relativ redusă a turbinelor. În ultimii ani, însă, preţul de producţie pe unitate de energie electrică a scăzut drastic, ajungând, prin îmbunătăţirea parametrilor tehnici ai turbinelor, la cifre de ordinul 3-4 eurocenţi/kilowatt oră.

2.Vântul-sursă de energie.

2.1. Vântul. Caracteristici generale.

Vântul este rezultatul activităţii energetice a soarelui şi se formează datorită încălzirii neuniforme a suprafeţei Pământului. Mişcarea maselor de aer se formează datorită temperaturilor diferite a două puncte de pe glob, având direcţia de curgere dinspre punctul cald spre cel rece.

51 În 2004, preţul energiei eoliene ajunsese deja la o cincime faţă de cel din anii 80, iar previziunile sunt de

continuare a scăderii acestora, deoarece se pun în funcţiuni tot mai multe unităţi eoliene cu putere instalată de mai mulţi

megawaţi.



III

55

Fig. 2.

În fiecare oră pământul primeşte 1014 kWh de energie solară. Circa 1-2% din energia solară se transformă în energie eoliană. Această energie depășește de 5-10 ori cantitatea energiei transformată în biomasă de către toate plantele Pământului.

Cauza principală a formării vântului este diferenţa presiunii atmosferice între două regiuni. Aerul cald fiind mai uşor se înalţă producându-se un minim de presiune, locul lui va fi preluat de masele de aer din zona rece (maxim de presiune atmosferică), până când se va egala diferenţa de presiune dintre cele două regiuni. Această circulaţie a maselor de aer stă la baza termodinamicii vântului.

Intensitatea vântului depinde direct proporţional de diferenţa de presiune dintre cele două zone geografice.

Având în vedere cele prezentate mai sus se poate afirma că energia eoliană este generată la rândul ei, printre altele și de energia solară, depinzând în consecință și de caracteristicile energiei solare.

Direcţia vântului este influenţată de forţa Coriolis care ia naştere prin rotaţia pământului, deviind de exemplu în emisfera nordică, vânturile spre vest.

Un alt factor care schimbă direcţia şi eventual temperatura vântului sunt obstacolele topografice ca: munţi, văi, sau canioane.

Din punct de vedere meteorologic, vântul este un fenomen fizic ce se manifestă ca o circulaţie dirijată de aer în atmosfera terestră și se poate formaliza printr-un vector, cu mărime, direcție și sens, deosebit de variabile in timp si spaţiu, condiţionate de contrastul baric orizontal creat in cadrul circulaţiei generale a atmosferei.

In țara noastră, deplasarea curenților de aer dintr-un loc in altul este determinate in principal de dezvoltarea diferitelor sisteme barice, care traversează Europa, in primul rând de activitatea centrilor de acţiune principali.

Vântul se caracterizează prin doua elemente extrem de variabile in timp si spaţiu: direcţia din care bate vântul, apreciata după 16 sectoare ale orizontului, si viteza, reprezentând distanta parcursa de particulele de aer in unitatea de timp exprimata in m/s.

Direcţia vântului este influenţată de forţa Coriolis care ia naştere prin rotaţia pământului, deviind de exemplu în emisfera nordică, vânturile spre vest.

Un alt factor care schimbă direcţia şi eventual temperatura vântului sunt obstacolele topografice

ca: munţi, văi, sau canioane52

.

52

Föehnul, de exemplu, este un vânt rece din Munţii Alpi care la trecerea peste Alpi (urcare şi coborâre) prin

fenomenul de frecare a maselor de aer de munte se încălzeşte.

http://ro.wikipedia.org/w/index.php?title=F%C3%B6ehn&action=edit&redlink=1



III

56

La staţiile meteorologice, viteza vântului se măsoară cu ajutorul anemometrului cu cupe, care este dotat şi cu giruetă pentru determinarea direcţiei vântului. În ultimii ani, staţiile meteorologice ale Serviciului Hidrometeorologic au fast dotate cu anemometre cu înregistratoare (eng. Logger), ceea ce permite să dispunem de informaţii culese pentru intervale de timp cu mult mai mici.

Conform standardelor, vitezele vântului sunt obţinute ca rezultat al înregistrărilor din trei in trei ore, respectiv, la ora 0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21. Viteza vântului pentru fiecare perioadă de trei ore se consideră viteza medie determinată pe un interval de 10 minute, adică între 000 010, 300 310… Aceste date, stocate in arhiva Serviciului Hidrometeorologic, se numesc date primare. La toate staţiile meteorologice din ţară, caracteristicile vântului se măsoară la înălţimi de 10 m deasupra solului.

Vântul se caracterizează printr-o variaţie pronunţată atât a vitezei, cât şi a direcţiei şi pentru a obţine informaţii veridice sunt necesare date primare pe o perioadă de minimum 10 ani.

Observaţiile meteorologice asupra direcţiei si vitezei vântului (mediate pe doua minute) se fac cu ajutorul giruetei, la înălțimea de 10 m. In reţeaua meteorologica naţionala au fost folosite pana in anul 1963 giruetele cu placa uşoara ce determina viteze ale vântului pana la 20 m/s, iar din anul 1964 au fost introduse si giruetele cu placa grea, acestea putând indica viteze ale vântului pana la 40 m/s.

Pe teritoriul României regimul vântului este determinat atât de particularităţile generale ale atmosferei, cat si de particularităţile suprafeţei active. Carpații joacă rolul unui baraj orografic, determinând prin orientare si altitudine particularităţile regionale ale vântului.

2.2. Vântul. Caracteristicile și parametrii energetici.

Vântul serveşte in calitate de „combustibil" pentru producerea energiei electrice în centralele eoliene. S-a precizat anterior faptul că densitatea puterii eoliene (.....) este proporţională cu cubul vitezei vântului, ceea ce face ca momentul abordării oricărui proiect legat de realizarea unor sisteme de conversie și valorificare a energiei eoliene să fie cunoscute cu cât mai mare exactitate datele climatice referitoare la vânt. Pentru valorificarea eficientă a potențialului eolian este importantă cunoaşterea resurselor energetice eoliene la nivelul întregii ţări, sau ale unei regiuni sau ale amplasamentului unde va fi construită o eventuală centrală eoliană. Resursele energetice eoliene sunt exprimate în mod uzual prin două caracteristici principale ale vântului - viteza şi densitatea de putere eoliană - care determină potenţialul energetic eolian al localităţii.

Fig. 3. Viteza medie a vântului pe teritoriul României. (Sursa INMH – România)



III

57

Pentru realizarea strategiilor energetice (planificări strategice) și respectiv pentru stabilirea politicilor energetice de lungă durată în domeniul resurselor eoliene este necesară stabilirea prealabilă a hărților de potențial eolian, care trebuie să cuprindă, în mod centralizat, informații referitoare la: Resursele energetice eoliene, mărimea acestora, repartizate acestora pe teritoriu precum și eventuala

lor dinamică; Potențialul energetic al resurselor existente; Cum poate fi exploatat acest potential?

Pentru investitorii in energetica eoliană, în etapa iniţială de implementare a unui proiect este important să cunoască răspunsurile la următoarele întrebări: Care este potenţialul energetic eolian in amplasamentul respectiv? Ce cantitate de energie electrică va fi produsă într-un an de o turbină cu caracteristici tehnice

specificate? Care va fi preţul de cost al energiei electrice eoliene? Care este durata de recuperare a investiţiilor? Care este variaţia diurnă şi anuală a vitezei vântului, respectiv a densităţii de putere eoliană?

Potențialul energetic eolian se poate stabili pe baza informațiilor referitoare datele la valorile vitezei vântului, respectiv a densităţii de putere eoliană pe teritoriu și a variaţiilor diurne şi anuale ale acestor mărimi.

Cele mai corecte informații se pot obţine prin măsurarea caracteristicilor vântului în ampla-samentul dat la înălţimea axei de rotaţie a turbinei pe o perioadă de minimum un an. Dar efortul financiar necesar este relativ mare și în plus, obținerea de date valide care să permită exploatarea lor eficientă necesită o perioadă îndelungată de timp.

O altă cale de stabilire a potențialului energetic eolian este dată de modelarea pe calculator, pentru suprafeţe mari, a vitezei vântului, folosind programe speciale cu considerarea orografiei53 şi caracteristicilor suprafeţei terenului, obstacolelor etc. În aceste modele sunt folosite aşa-numitele date istorice despre vânt, culese de la staţiile meteorologice din regiune sau din întreaga țară. Pe baza acestor modelări s-a întocmit Atlasul Vântului –AV- (WAsP – the Wind Atlas Analysis and Application Program), care conţine informaţii despre viteza şi densitatea de putere a vântului sub formă de hartă de contur sau gradată. AV poate fi produs la nivel global, de ţară sau regiune. De asemenea s-au realizat un număr important de instrumente de calcul, care posedă interfață cu sateliții meteo de unde își pot extrage datele primare, pe care le pot prelucra pe baza unor algoritmi de calcul implementați (TRNSYS, METEONORRM...).

Trebuie însă precizat că Atlasul Vântului nu substituie necesitatea măsurărilor instrumentale, ci doar oferă informații preliminare pentru stabilirea regiunilor cu potențial optim, în care se pot implementa proiecte de valorificare a acestui pontențial și care șă justifice trecerea la faza de măsurători efective, necesare abordării investiției.

Pe baza Atlasului Vântului se pot face de asemenea investigații referitoare la selectarea echipamentelor celor mai adecvate caracteristicilor amplasamentului (o turbină eoliană virtuală cu caracteristici tehnice cunoscute, poate fi amplasată într-un punct geografic oarecare şi, folosind datele AV se determină cantitatea de energie electrică care poate fi produsă pe o perioadă oarecare: o lună, un an etc.).

Folosirea modelelor matematice pentru estimarea resurselor energetice eoliene sunt limitate de:

Disponibilitatea/indisponibilitatea datelor veridice primare despre vânt şi a hărţilor digitale topografice la scara necesară;

53

sistemul formelor de relief care caracterizeaza o zona montana de mai mare intindere



III

58

Disponibilitatea/indisponibilitatea de date a măsurărilor caracteristicilor vântului - vitezei şi direcţiei, efectuate la înălţimi de minimum 50 m deasupra solului cu scopul validării rezultatelor obţinute prin calcul.

De exemplu, măsurători realizate asupra vitezei vântului la înălțimi de 50 m de către Centrul ENERGIE PLUS al UTM au pus în evidență variații de la simplu la dublu pe parcursul unei zile (pentru vmed=4.9m/s, variațiile sunt de la 0 până la 8,71 m/s).

Viteza medie se poate determina pe intervale de timp diferite (de exemplu, o oră, o zi, o lună sau chiar un an).

Fig. 3. Variația vitezei vântului pe parcursul unei zile (Sursa ENERGYPLUS-UTM)

Dar informaţia cu privire la viteza medie a vântului pe un interval oarecare nu este suficientă

pentru a putea aprecia potenţialul energetic al vântului, deoarece o altă mărime care interese ază în estimarea potențialului energetic al vântului, pe lângă viteza și direcția vântului, este și densitatea

aerului. Densitatea aerului influențează masa aerului care se mișcă și care întâlnește elicele turbinelor, iar în final forța de impact asupra acestora (cu cât este mai mare masa aerului, cu atât mai

repede se rotesc elicele, producând o cantitate mai mare de energie). Se ştie, că energia cinematică a corpului în mişcare, în cazul dat aerul, este proporţională cu masa lui. De aceea energia vântului

depinde de densitatea aerului - cu cât densitatea este mai mare, cu atât forţa de acţiune este mai mare (densitatea depinde de cantitatea moleculelor într-o unitate de volum). La presiunea atmosferică

normală şi temperatura de 15°C densitatea aerului constituie 1,225 kg/mc. Cu mărirea umidităţii densitatea crește. Aceasta este cauza producerii de către un generator eolian a unei cantităţi mai mari de energie, la aceeaşi viteză a vântului, pe timp de iarnă, când densitatea aerului e mai mare, decât vara. Pe suprafeţele plasate mai sus de nivelul mării, în munţi, spre exemplu, presiunea atmosferică este mai mică şi, corespunzător, este mai mică şi densitatea aerului, deci, se produce o cantitate mai

mică de energie pe suprafaţa elicei.

Pentru a demonstra această afirmaţie, calculăm densitatea medie de putere eoliană pentru

exemplul de mai sus, adică pentru un interval de 24 h.

Densitatea medie de putere eoliană se determină cu relația:

233 /4.549.4225.15.05.0 mWxxVp ,

Unde: este densitatea vântului iar V este viteza medie a vântului.



III

59

Viteza vântului este, așa cum s-a precizat anterior o variabilă aleatorie. În aceste condiții aceasta este caracterizată prin metode și termeni specifice teoriei probabilităților:

densitatea de probabilitate a vitezei vântului F(V), care se determină ca fiind fracţiunea de timp pentru care viteza medic a vântului se încadrează într-un interval specificat Vi. Altfel spus, funcţia densitate de probabilitate a vitezei vântului caracterizează ponderea vitezei in intervalul cuprins între Vmin şi Vmax obţinute pe durata măsurărilor. Funcţia densitate de probabilitate a vitezei pentru exemplul de mai sus (fig. 4.3), se determină in modul următor: ─ se determină gama de variaţie a vitezei pe durata măsurărilor: Vmin=0 şi Vmax=8.71m/s În

cazul nostru V min= 0,0 şi V max = 8,71 m/s; ─ gama de variaţie a vitezei se împarte in n intervale egale, de obicei, cuprinse între 0,1 şi 1,0

m/s. S-a ales Vi =1,0 m/s. Viteza de calcul pentru fiecare interval este egală cu viteza medie. De exemplu, in intervalul 6 se încadrează vitezele cuprinse între 5 şi 6 m/s, viteza medie de calcul se consideră egală cu 5,5 m/s;

─ se scanează cele 144 de măsurări şi se determină numărul de măsurări ni care se încadrează in fiecare interval;

─ se determină funcţia F(V) = ni /Vi. Rezultatele obţinute sunt incluse in fig. 4. (histograma).

Fig. 4.

Având in vedere caracterul probabilistic al vitezei vântului densitatea de putere se va calcula cu formula

239

1

3 /9.83)(5.0 mWVVxFVpi

ii

şi este cu 54% mai mare decât densitatea de putere, calculată mai sus, folosind doar viteza medie a

vântului pe durata de 24 h. Interpretarea grafică a rezultatelor este prezentată in figura 4. Cea mai

mare pondere a densităţii de putere aparţine intervalului de viteză cuprins între 6 şi 7 m/s şi constituie

35,5%. Totodată, cea mai mare pondere a vitezei aparţine intervalului de viteză cuprins între 3 şi 4 m/s

(vezi fig. 4.). Viteza de demarare a turbinelor moderne este egală sau mai mare de 4 m/s. Din figura 4,4

rezultă că, pentru intervalul de timp analizat (24 h), durata vitezelor lucrative (>4 m/s) constituie circa

60%.



III

60

Turbulenţa. Se referă la fluctuaţiile vitezei vântului pe o perioadă scurtă de timp, de obicei mai mică de 10 min. Turbulenta este cauzată de două fenomene: frecarea dintre fluxul de aer şi suprafaţa

pământului, adesea amplificată de particularităţile topografice caracterizate prin văi, dealuri şi munţi; al doilea ține de efectele termice care provoacă mişcarea maselor de aer pe verticală.

Turbulenţa influenţează negativ asupra rotorului turbinei, cresc solicitările mecanice provocate de rafalele scurte de vânt, materialul elicei oboseşte şi poate ceda. Concomitent cu creşterea înălțimii, turbulenţa se micşorează. Unul din indicatorii care caracterizează turbulenţa este intensitatea turbulenţei definită ca raportul dintre abaterea standard şi viteza medie pe un interval de timp egal sau mai mic de 10 minute.

În figura 5. este prezentată variaţia intensităţii turbulenţei pe un interval de timp egal cu 24 h. Cu cât viteza medie pe durata de 10 minute este mai mica, cu atât este mai mare intensitatea turbulenţei. Pentru a trage concluzii asupra turbulenţei este necesar să dispunem de rezultatele măsurărilor vitezei vântului pe durate mai mici de 10 minute pe parcursul a minimum 10 ani.

Fig. 5.Variația vitezei vântului și intensității turbulenței

Relieful. La suprafaţa pământului vegetaţia şi construcţiile aflate pe ea conduct la micşorarea vitezei vântului. Cu cât ne îndepărtăm de suprafaţă, cu atât se micşorează influenţa reliefului asupra mişcării maselor de aer. Cu alte cuvinte: cu cât mai sus cu atât viteza vântului e mai mare. La înălţimi de circa un kilometru de la suprafaţa mării relieful practic nu influenţează viteza vântului. În straturile de jos a atmosferei o influenţă majoră asupra vitezei o are contactul cu suprafaţa pământului: cu cât relieful este mai complicat, cu atât mai mică e viteza vântului. El încetineşte în păduri şi oraşe mari. Clădirile, pădurile şi alte bariere nu numai că încetinesc vântul, dar şi formează curenţii turbulenţi de aer.

Specialiştii clasifică suprafaţa reliefului astfel: 0 - suprafaţa apei (nivelul mării); 0,5 - un relief complect deschis cu suprafaţă dreaptă (pistă de decolare); 1 - localitate agricolă deschisă, fără garduri şi construcţii înalte, cu ridicături mici; 1,5 - suprafeţe agricole, cu clădiri până la 8 metri înălţime, aflate una față de alta la circa 1.250m; 2 - suprafeţe agricole, cu clădiri până la 8 metri înălţime aflate la 500m unul faţă de altul; 2,5 - suprafeţe agricole, cu număr mare de clădiri şi vegetaţie de până la 8 metri înălţime aflate la 250m unul de altul; 3 - comune, oraşe cu o cantitate mare de clădiri;



III

61

3,5 - oraşe cu clădiri înalte; 4 - oraşe mari, megapolise cu clădiri înalte (zgârâe-nori).

Vânturi extreme. Turbinele eoliene trebuie să fie proiectate astfel încât să reziste la acţiunea vânturilor extreme sau a rafalelor de vânt. Dacă viteza vântului este mai mare decât 25 m/s, turbina eoliană este frânată sau scoasă de sub acţiunea vântului. Conform datelor publicate în [7, 8], în România frecvența vânturilor cu viteza de 25-28 m/s este odată la 5 ani, a celor cu viteză 25-30 o dată la 10 ani şi a celor cu viteză 25-31 o dată la 20 de ani. 2.3. Metodologia estimării potenţialului energetic eolian

Pentru a calcula viteza medie a vântului, densitatea de putere, roza vântului şi funcţia densitate de probabilitate a vitezei vântului şi, in continuare, pentru a evalua potenţialul energetic eolian, in prezent, se utilizează două modele: modelul american, elaborat de NASA şi Forţele Aeriene ale SUA, bazat pe teoria dinamică a

climei [12]. modelul elaborat de ţările UE, cunoscut sub denumirea WAsP (Wind Atlas Analysis and

Application Program) [9,10], pe baza căruia a fost întocmit Atlasul European al Vântului [11] pentru ţările UE-15, bazat pe teoria curenţilor de aer, şi

Modelul american este elaborat recent şi are mai multe posibilităţi, inclusiv modelarea climatologiei vântului in teritoriul muntos dar prezintă unele dezavantaje esențiale în utilizarea pentru aplicații curente: Programul de calcul, numit "MesoMap" cere o capacitate enormă a reţelei de calculatoare, Accesul la serviciile oferite de utilizarea programului este oneros (estimarea potenţialului

energetic eolian, pe baza măsurărilor pe parcursul a 12 luni, inclusiv întocmirea hărţii digitale a densităţii de putere eoliană, costă peste 100 000 $ US).

Modelul elaborat de ţările UE WAsP prezintă un raportul optim preţ/calitate, este ușor de utilizat și permite obținerea unor date valorificabile în primele faze de elaborare a proectelor de valorificare a energiei eoliene. Aceste avantaje au determinat mai multe state din Europa Centrală şi de Est, spre a-1 utiliza pentru estimarea potenţialului eolian, întocmirea atlaselor proprii.

Programul WAsP permite : Analiza datelor primare despre vânt in vederea obţinerii AV pentru fiecare statie meteorologică

(punct de observaţie) in parte. Utilizarea AV şi a curbelor de putere ale turbinelor eoliene în vederea evaluării potenţialului

energetic eolian in orice punct situat într-o rază de cel mult 50 km în jurul punctului în care au fost efectuate măsurările.

Pentru a obţine AV într-un punct de amplasare a unei staţii meteorologice sunt necesare următoarele informatii initiale (vezi anexa 1): date primare despre vânt pe o perioadă de cel puţin 10 ani; descrierea amplasamentului staţiei meteorologice cu evidenţierea: rugozităţii împrejurimilor şi

obstacolelor existente in imediata vecinătate a aparatului de măsurare; harta digitală a regiunii respective.

3.Potențialu eolian la nivelul României.

România beneficiază de o clima temperat continentală, relieful variabil (câmpii, dealuri, lanțuri muntoase), vecinătăți cu marea și câmpuri barice care favorizează mișcarea curenților de aer dinspre Siberia spre Adriatica. Datorită acestor particularități de amplasament geografice și de relief pe teritoriul țării există zone cu potențial eolian valorificabil și anume, estul și sud-estul țării (în special zona litoralui Mării Negre, Dobrogea, zona de est și zonele muntoase.

Aprecierea potențialului eolian s-a realizat pe baza atlasului vântului stabilit cu ajutorul softurilor WASP (dezvoltat de specialiștii danezi, care au o bogată experiență în domeniu), prin prelucrarea datelor meteorologice din 1990 și până în 2005 și considerând viteza vântului la h=50m de sol a relevat următoarele:



III

62

Potențialul maxim instalabil: 14,000 MW, Producție posibilă de energie: 23,000 GWh / an, dintre care în sisteme instalate pe mare

seashore și offshore) 4,500 GWh/ an pentru o putere instalată de 2,000 MW.

Harta cu regiunile de egala viteză a vântului.

Sursa: Market Survey Romania - Energy Efficiency Sector, EVD-international odernemen en samerwerken, Norvegia).

4. Conversia energiei cinetice a fluxului de aer in energie mecanică. Limita lui Betz

4.1. Energia şi puterea vântului Pentru determinarea energiei unui flux de aer care se mişcă cu o viteză liniară V se utilizează ex-

presia energiei cinetice:

2

3VmE (4.1)

unde m este masa aerului in mişcare, determinată de densitatea aerului ρ şi volumul care străbate o suprafaţă oarecare S într-o unitate de timp:

SVm (4.2)

Unitatea de măsură a masei din expresia (4.2) este kg/s şi, substituind în (4.1), se obține puterea fluxului de aer in waţi:

3

2SVP

(4.3)

Puterea specifică sau densitatea de putere eoliană

ce revine la un metru pătrat de suprafaţă:

35,0 VP (4.4)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

pu

tere

a s

pecif

ică (

W/m

2)

viteza vântului (m/s)

Fig. 4.1. Variația puterii specifice a fluxului de aer în raport cu viteza acestuia



III

63

În condițiile de presiune atmosferică normală şi la temperatura de 15°C, densitatea aerului este 1,225 kg/m3. Dar aceasta variază cu altitudinea. Dacă înălţimea deasupra nivelului mării variază între 0 şi 100 m (turnurile turbinelor moderne de putere mare au înălţimi de 60-120 m), variaţia densităţii nu depăşeşte 5% şi aceasta se poate considera, în calculele estimative, cu o relativ bună aproximaţie, ca fiind constantă.

In fig 4.1 este reprezentată variaţia puterii specifice a unui flux de aer in functie de viteză. Viteza no-minală de calcul a vântului pentru turbine moderne de mare putere variază între 12,0 şi 15,0 m/s (zona haşurată), deci puterea specifică exploatabilă în aceste condiȚii este între 1058,4 și 1680,7 (W/m2).

Având în vedere cele prezentate mai sus se pot face următoarele observații:

Formulele (4.1) şi (4.2) prezintă potenţialul energetic al unui flux de aer ce străbate suprafaţa S54 sau o suprafață unitară (un metru pătrat de suprafaţă). În aceste condiții: ─ Majorarea de două ori a diametrului rotorului turbinei va conduce la majorarea de 4 ori a

puterii fluxului de aer care străbate suprafaţa rotorului. ─ Majorarea de 2 ori a vitezei vântului conduce la majorarea de 8 ori a puterii fluxului de aer sau a

puterii specifice.

În consecință, este foarte important să cunoaştem valoarea vitezei vântului în zona de amplasare a

turbinei precum și dinamica acesteia pe o perioadă cât mai lungă pentru a previziona cât mai exact potenţialul energetic eolian al amplasamentului respectiv.

Dacă elicea are diametru mare, iar înălţimea turnului este neînsemnată, atunci masele de aer care

acţionează capătul elicei în poziţia de sus vor avea viteza maximă, iar curentul ce influenţează în poziţia de jos va avea viteza minimă, ceea ce poate distruge instalaţia eoliană.

Pentru a valorifica avantajele legate de creșterea vitezei vîntului odată cu creșterea înălțimii de amplasare a turbinei se pot utiliza infrastructuri de susținere a turbinei relativ înalte (mai mari de 60 - 80 m).

Trebuie precizat însă faptul că nu toată puterea fluxului de aer exprimată prin formula (4.3), va fi

transformată de către turbina eoliană in energie mecanică şi ulterior, in energie electrică. O parte

considerabilă de energia cinetică a acestui flux se va păstra in fluxul de aer care părăseşte zona

adiacentă turbinei.

4.2. Turbina eoliană in fluxul de aer

Turbina eoliană este mașina hidraulică care transformă energia cinetică a fluxului de aer care

traversează aria baleiată de rotor in energie mecanică și apoi, cu ajutorul unui generator electric în

energie electrică.

Pentru a putea evalua puterea electrică generată de utilizarea unei turbine eoliene care prezintă anumite caracteristici de alcătuire și amplasare, vom analiza pentru început evoluția parametrilor fluxului de aer care întâlnește o turbină eoliană (fig. 2). În această situație fluxu1 de aer cedează doar o parte din energia cinetică (vezi paragraful următor), restul energiei fiind utilizată pentru ca acesta să părăsească zona de interacţiune flux-turbină.

54 m

DS

4

2

suprafaţa de contact a elicei se măreşte proproţional cu diametrul elicei la puterea a doua (la

instalaţia eoliană mai mare de două ori se poate produce de patru ori mai multă energie). Însă procesul de mărire a

suprafeţei nu poate fi redus la simpla lungire a aripelor. La prima vedere se pare, că aceasta este o cale mai simplă de

mărire a cantităţii energiei. Dar, mărind suprafaţa cuprinsă la rotire, noi mărim greutatea asupra sistemului la aceeaş

viteză a vîntului. Pentru ca sistemul să reziste la greutate este necesar de a întări toate componentele mecanice ale lui,

ceea ce duce la cheltuieli suplimentare.



III

64

În fig. 4.2. se prezintă schematic un flux de aer cu viteza iniţială Vo, care străbate aria circulară A0 şi interacţionează cu rotorul turbinei cu aria baleiată A1 . In secţiunea A1 fluxul de aer întâlneşte o rezistenţă, presiunea pe suprafața turbinei creşte, iar viteza scade până la V1,. Cedând o parte din energie, fluxul de aer părăseşte turbina cu viteza V2 mai mică decât V1. Deoarece masa de aer care traversează secţiunile A0, A1 şi A2 rămâne constantă, iar viteza s-a micşorat, rezultă că A2>A1>A0. Acest fenomen este cunoscut sub denumirea de efect de deflectare (deformare) a fluxului de aer care străbate rotorul turbinei. Practic, la curgerea transversală a fluxului de aer în raport cu turbina acesta prezintă o înfășurătoare sub formă o pâlnie. Fluxul de aer format imediat după elice se mai numeşte jet de curent al elicei. În interiorul acestui jet de curent presiunea statică este mai mică decât în zona liberă a atmosferei. Dimensiunea jetului de curent este dată de caracteristicile jetului de aer (viteză, densitate) precum și de caracteristicile turbinei (dimensiune elice,…).

Pentru aplicațiile practice prezintă un interes major cunoașterea limitelor de conversie ale energiei cinetice a fluxului de aer în energie mecanică. Această problemă a fost soluționată de fizicianul german Albert Betz în anul 1919 și este cunoscută sub denumirea de limita lui Betz.

Fig. 4.2.

4.3. Limita lui Betz

Pentru a stabili limita maximă de conversie energie cinetică flux aer-energie mecanică, cu ajutorul turbinei eoliene, fizicianul german Albert Betz a analizat o turbină cu rotor idealizat. Într-o astfel de turbină se admite că rotorul prezintă un disc cu un număr infinit de pale subţiri, ceea ce permite neglijarea pierderilor de energie iar fluxul de aer curge fară turbulenţă prin secţiunile imaginate din figura 4.2. Viteza Vo este viteza curentului de aer până la rotor, V2 - viteza cu care fluxul de aer părăseşte zona rotorului, Vl - viteza fluxului în secţiunea A1 a rotorului.

În conformitate cu legea a doua a lui Newton, variaţia cantităţii de mişcare este egală cu forţa care acţionează asupra corpului:

dt

dVm

dt

mVdF

)(

Variaţia vitezei curentului de aer pentru modelul de mai sus pe parcursul unei secunde (dt=1 s) va fi, dV=V0-V2, deci

)( 20 VVmF

Dacă considerăm că turbina frânează deplasarea fluxului de aer, prin reducerea vitezei acestuia în dreptul turbinei și dacă, pentru evidențierea acestui fenomen introducem noțiunea de factor de frânare a fluxului de aer în turbină e=V1/V0 şi, dacă considerăm ipoteza că viteza vântului variază liniar se poate determina viteza fluxului de aer in aria A, a turbinei:

002

20

1 2,2

VeVVVV

V



III

65

Și dacă considerăm masa de aer care traversează aria A1 într-o secundă (vezi ...):

eVAVAm 0111

Substituim in (4.11) viteza V, şi masa m in conformitate cu (4.12) şi (4.13):

)1(20

2

01 eeVAF

Puterea dezvoltată de turbină este produsul dintre forţă şi viteză

)1(2 23

011 eeVAVFP

În conformitate cu (4.8), puterea fluxului de aer cu viteza V0

3

0102

1VAP sau 3

0102 VAP

Deci, cantitatea energiei produsă pe baza vântului depinde de densitatea aerului, de suprafaţa elicei şi viteza vântului la puterea a treia.

Substituim în ... și obținem

PCPeePP 0

2

0 )1(4 ,

unde

)1(4 2 eeC p

Cp se numeşte factorul de putere (factor de eficienţă) sau limita lui Betz.

Pentru a obține valoarea maximă a puterii P se derivează factorul de putere Cp în raport cu factorul de frânare e.

Se obţine: e=2/3, Cp=16/27=0,593.

În consecință:

În condții ideale55 fluxul de aer va ceda unei turbine ideale mai puțin de 59,3% din puterea sa iniţială P0.

In realitate, cele mai performante turbine eoliene cu trei pale au factorul Betz egal cu 0,45--0,50.

4.4. Efectul numărului de pale şi al diametrului rotorului

Limita lui Betz a pus în evidență, așa cum s-a precizat anterior, faptul că o turbină eoliană ideală poate extrage din vânt o putere de cel mult 59,3%. În analiza efectuată mai sus nu s-a ținut cont de regimul real de funcţionare al unei turbini și nu s-a precizat nici ce construcție ar trebui să aibă rotorul ideal astfel încât șă se atingă maximum factorului de putere.

Pentru a stabili modul de influență și al altor factori asupra puterii mecanice valorificabile de către o turbină eoliană vom face și analiza din punct de vedere calitativ a regimului de funcţionare a turbinei şi a efectului numărului de pale, precum și al factorului de soliditate asupra valorii factorului de putere.

De asemenea, se analizează dependenţa puterii nominale de diametrul rotorului turbinelor comercializate.

Eficienţa conversiei energiei fluxului de aer in energie

55

e= 2/3 și viteza fluxului de aer după turbină V2= 1/3 Vo

Fig. . Caracteristicile aerodinamice ale diferitelor turbine



III

66

mecanică va fi mai mică decât valoarea optimă dacă: Rotorul turbinei are un număr de pale mare (factorul de soliditate este mare) sau rotorul roteşte cu

o viteză foarte mare şi fiecare pală se mişcă într-un flux de aer distorsionat de către pala din faţă. Rotorul turbinei are un număr mic de pale (factorul de soliditate este mic) sau rotorul roteşte cu o

viteză foarte mică şi fluxul de aer traversează suprafaţa rotorului fără a interactiona cu acesta. În consecinţă, pentru a obţine o eficienţă maximă de conversie a energiei trebuie ca viteza de rotaţie

a rotorului să fie corelată cu viteza vântului.

Pentru a caracteriza turbinele eoliene cu diferite caracteristici aerodinamice se utilizează

parametrul adimensional, numit rapiditatea turbinei (în engleză speed ratio). Rapiditatea leagă într-

o singură formulă trei variabile importante ale turbinei: viteza de rotaţie , raza rotorului R (sau

diametrul) şi viteza vântului V şi se defineşte ca fiind raport dintre viteza liniară a vârfului palei U şi

viteza vântului:

V

R

V

U

O turbină oarecare poate funcţiona într-o gamă largă de variaţie a rapidității dar va avea eficienţa maximă Cp numai pentru o valoare optimă a rapidităţii56.

În figura 4.20 sunt prezentate caracteristicile Cp-, preluate din [25], pentru turbine cu un număr diferit de pale.

Analiza acestor caracteristici ne permite să tragem următoarele concluzii: Eficienţa conversiei energiei este maximă pentru valoare optimă a rapidității, adică, pentru un număr

de pale cît mai mic posibil; Două turbine cu puteri egale, dar cu număr diferit de pale se deosebesc prin aceea că turbina cu multe

pale va dezvolta un moment mai mare şi va avea viteza de rotaţie mai mica şi invers - turbina cu puţine pale va dezvolta un moment mic, dar va avea o viteză de rotaţie mai mare.

Turbina cu trei pale are cel mai mare factor de eficienţă. Diferenţele dintre factorii de eficienţă maximi ai turbinelor cu 2-5 pale nu este semnificativă.

Avantajele turbinelor cu două sau cu o singură pală constau in posibilitatea funcţionării într-o zonă mai largă de variaţie a rapidităţii, in care factorul de eficienţă are valoare maximă sau aproape de cea maximă.

Factorul maxim de eficienţă (Betz) al turbinei cu 12 - 18 pale este mai mic decât al turbinei cu 3 pale şi nu depăşeşte 0,35.

Dependenţa puterii turbinei de diametrul rotorului. Turbinele de putere mică au turnuri cu înălţimi relativ mai mari decât cele de putere mare. Aceasta se explică prin necesitatea excluderii influenţei negative a stratului de suprafaţă a solului şi a obstacolelor asupra vitezei vântului. Pentru valori ale diametrului rotorului cuprinse între 5 şi 10 m, raportul dintre înălţimea turnului şi diametrul rotorului este egal cu 6 - 2. Începând cu diametre egale sau mai mari de 30 m, acest raport oscilează in jurul cifrei 1. Evident, costurile specifice ale turbinelor mici vor fi mai mari.

Puterea mecanică generată de turbină este proporţională cu pătratul diametrului rotorului.

Odată cu creşterea diametrului, respectiv a înălţimii turnului, va creşte şi viteza vântului.

56

Adică când viteza liniară U va fi egală cu viteza vântului înmultită cu valoarea optimă a rapidităţii



III

67

De obicei, creşterea vitezei vântului este considerată proporţională cu raportul înălţimilor la puterea 1/7 [3,5]. Astfel puterea turbinei este proporţională cu diametrul rotorului la puterea (2+31/7) = 2,42. Pentru turbinele comercializate in prezent o bună aproximare oferă expresia [3]:

42,206,0 DP ,

unde D - este diametrul rotorului, in m; P - puterea, in kW.

În figurile 4.21 şi 4.22 sunt prezentate evoluţiile calitative şi cantitative ale puterilor turbinelor moderne. Linia continuă din figura 4.22 corespunde expresiei analitice (4.20).

Fig. 4.21. Creşterea diametrului rotorului şi puterii turbinelor comercializate.

La nivel mondial se constată tendinţa de majorare a diametrului rotorului, chiar şi in cazul când puterea nominală rămâne aceeaşi. De exemplu, turbinele cu puterea de 1,5 MW proiectate până in anul 1997 aveau diametrul mediu al rotorului egal cu 65,0 m, in anul 2000 diametrul rotorului a atins valoarea de 69,1 m, iar in anu1 2003 a ajuns deja la 73,6 m. Majorarea diametrului rotorului conduce la creşterea puterii extrase din vânt. Dacă puterea nominală rămâne aceeaşi, poate fi micşorată viteza de calcul a vântului. Astfel, creşte aria de utilizare a turbinelor eoliene, care includ noi zone cu un potential energetic eolian mediu şi mic. Această tendinţă se reflectă şi asupra expresiei empirice (4.20). Pentru turbinele proiectate după anul 2003, puterea nominală, in MW, poate fi calculată cu expresia:

156,2000195,0 DP

Viteza liniară a vârfului palei este produsul dintre viteza de rotaţie şi raza rotorului. Pentru turbinele cu puterea nominală de 0,6 - 3,6 MW viteza liniară vari-ază între 43,0 şi 90 m/s (155-325 km/h). Astfel de viteze liniare impun o proiectare riguroasă a profilului aerodinamic, asigurarea bunei calităţi a suprafeţei şi o balansare dinamică excelentă a roto-rului. Toate aceste măsuri conduc la diminuarea considerabilă a zgomotului şi permit amplasarea tur-binelor moderne în imediata vecinătate a comunelor şi oraşelor.

Fig. Puterea nominală a turbinelor

comercializate în raport cu diametrul rotorului.



III

68

5. Echipamente de conversie a energiei eoliene în energie electrică.

5.1.Scurt istoric al echipamentelor de conversie energiei eoliene în energie electrică Moara de vânt este strămoşul generatoarelor eoliene (Fig. 1). Aceasta a apărut în Evul Mediu în Europa. A funcţionat la început cu ax vertical.

Fig.1: Mori de vânt. (Sursa: http ://www.sizilien-sicily-sicilia.de/Energie-uk.htm)

Fig. 2.Moară de vânt cu pânze. (Sursa: http://www.olympia.nl/home1-5/griekenland/kos/pages-kos/atmz/beziensw-antimachia-kos.html)

Prima turbină construită conform conceptului danez de J. Juul.

Mai târziu s-a încercat adaptarea funcțională a morilor în raport cu variația direcției vânturilor. Acest lucru s-a realizat în primă fază cu ajutorul elicelor din pânză care permiteau captarea unei cantități mai mari din energia vântului. (Fig. 2) Prima moară de vânt cu pale profilate a apărut în secolul doisprezece. Chiar dacă era foarte simplă, este totuşi vorba de prima cercetare aerodinamică a palelor. Acestea au fost utilizate în principal pentru pomparea apei sau pentru măcinarea grâului. În perioada Renaşterii, inventatori celebrii ca Leonardo da Vinci s-au interesat foarte intens de morile de vânt, ceea ce a condus la numeroase inovaţii, uneori inutile. De atunci, morile s-au înmulţit în Europa. Revoluţia industrială a oferit un nou început pentru morile de vânt, prin apariţia de noi materiale. În consecinţă, utilizarea metalului a permis modificare formei turnului şi creşterea considerabilă a maşinilor pe care le numim pe scurt "eoliene". (Fig. 3)

Fig. 3: Moară de vânt (Germania de Nord) (Sursa:http://www.jbengs.de/galerie/pages/bild279.htm)

Fig. 4: Turbină Eoliană modernă (Sursa: http://gruppen.greenpeace.de/aachen/energie-windrad.jpg copyright: Langrock/Greenpeace)

Evoluţia electricităţii în secolul XX a determinat apariţia primelor turbine eoliene moderne (Fig. 4).

Este studiat profilul palelor, iar inginerii se inspiră după profilul aripilor de avion.

http://www.sizilien-sicily-sicilia.de/

http://www.sizilien-sicily-sicilia.de/

http://www.olympia.nl/home1-5/griekenland/kos/pages-kos/atmz/beziensw-antimachia-kos.html



http://www.stolperhof.de/VER_ORTE/kachlin-windrad.JPG

http://gruppen.greenpeace.de/



III

69

În prezent, turbinele eolienele sunt, aproape în totalitate cu ax orizontal, cu excepţia modelelor cu ax vertical (cele cu rotor Savonius şi Darrieus, …), care sunt încă utilizate, dar sunt pe cale de dispariţie.

Ultimele inovaţii permit funcţionarea eolienelor cu viteză variabilă, respectiv reglarea vitezei turbinei eoliene în funcţie de viteza vântului. 5.2. Principiu de valorificare energie eoliană-energie electrică Valorificarea electrică a energiei eoliene se realizează după următoarea schemă de conversie:

Stocare

acumulatori

Energie

cinetică

vânt

Energie

mecanică

rotor

Energie

electrică

generator

Reţea de

distribuţie

Sarcini izolate

(ex: sate izolate)

Echipamentul cu ajutorul căruia se realizeză conversia este aero-generatorul care utilizează energia cinetică a vântului pentru a antrena arborele rotorului său: aceasta este transformată în energie mecanică, care la rândul ei este transformată în energie electrică de către generatorul cuplat mecanic la turbina eoliană. Cuplajul mecanic se poate face: direct, dacă turbina şi generatorul au viteze de acelaşi ordin de mărime prin intermediul unui multiplicator de viteză. Energia electrică produsă poate fi valorificată în mod: direct, pentru alimentarea consumatorilor izolați indiect, prin racordarea instalațiilor de generare la o rețea electrică (instalația debitează în rețea); indirect, prin stocarea în baterii de acumulatori. Elementele lanţului de conversie sunt în corelație cu modul de valorificare a energiei electrice, cu particularitățile și caracteristicile turbinei, cu caracteristicile vîntului…. Există însă o structură minimală a lanţului de conversie care include: turbină eoliană, un generator trifazat, un dispozitiv de interconectare, ce realizează conectarea generatorului la reţeaua de distribuţie sau

la o sarcină izolată.

Structura generală a unui sistem de conversie a energiei eoliene



III

70

Conversia eoliană se realizează cu pierderi tehnice și tehnologice relativ mari (randament maxim al rotorului

unei turbine eoliene este de ordinul a 59 % , cel al unui multiplicator este de 96% , la care se adaugă pierderile

generatorului şi ale eventualelor sisteme de conversie).

Ferma eoliană Turbină eolienă cu trei pale de 750 kW (Sursa: Departament Génie Electrique, HEI)

(Sursa: http://valromeysolidaire.free.fr/index/main.php3)

Ferma eoliană offshore de la Middelgrunden (Danemarca) (Sursa: http://www.apab.org/fr/page.php?id_rubrique=3&id_sous_rubrique=23)

5.3. Clasificare aerogeneratoarelor. Particularități funcțional-constructive. O eoliană ocupă o suprafaţă mică pe sol ceea ce se constituie într-un mare avantaj, deoarece

perturbă puţin locaţia unde este instalată, permiţând menţinerea activităţilor industriale sau agricole din apropiere.

Există două mari soluții de instalare: turbine individuale, instalate în locaţii izolate. Eoliana nu este racordată la reţea, nu este

conectată cu alte eoliene. Sub formă de ferme eoliene, când eolienele sunt grupate. Instalările se pot face:

─ pe sol, sau, ─ din ce în ce mai mult, în largul mărilor, sub forma unor ferme eoliene offshore, în cazul cărora

prezenţa vântului este mai regulată. Acest tip de instalare reduce dezavantajul sonor şi ameliorează estetica.

Funcție de orientarea axului se disting însă două mari familii: eoliene cu ax vertical; eoliene cu ax orizontal.

Indiferent de orientarea axului, rolul lor este de a genera un cuplu motor pentru a antrena generatorul. Particularități ale turbinelor eoliene cu ax vertical Pilonii eolienelor cu ax vertical sunt de talie mică, având înălţimea de 0,1 - 0,5 din înălţimea rotorului. Aceasta permite amplasarea întregului echipament de conversie a energiei (multiplicator, generator) la piciorul eolienei, facilitând astfel operaţiunile de întreţinere. În plus, nu este necesară utilizarea unui dispozitiv de orientare a rotorului (ca în cazul eolienelor cu ax orizontal). Dacă ținem cont de cele precizate anterior, referitor la intensitatea vântului la nivelul solului și anume de faptul că aceasta este mai redusă la nivelul solului (în raport cu o înălțime superioară obstacolelor obișnuite) putem deduce faptul că acestea prezintă un randament redus și în plus este supusă și turbulenţelor vântului. O altă particularitate este legată de faptul că aceste eoliene trebuiesc antrenate pentru a porni caz în care pilonul este supus unor solicitări mecanice importante. Din acest motiv, în prezent, constructorii de eoliene s-au orientat cu precădere către eolienele cu ax orizontal.

http://valromeysolidaire.free.fr/index/main.php3

http://www.apab.org/fr/page.php?id_rubrique=3&id_sous_rubrique=23

http://www.apab.org/fr/page.php?id_rubrique=3&id_sous_rubrique=23



III

71

Cele mai răspândite două structuri de eoliene cu ax vertical se bazează pe principiul tracţiunii diferenţiale sau a variaţiei periodice a incidenţei și sunt:



III

72

• Rotorul lui Savonius în cazul căruia, funcţionarea se bazează pe principiul tracţiunii diferenţiale. Eforturile exercitate de vânt asupra fiecăreia din feţele unui corp curbat au intensităţi diferite. Rezultă un cuplu care determină rotirea ansamblului.

Schema de principiu a rotorului lui Savonius

Schema rotorului lui Savonius

(Sursa: http://muextension.missouri.edu/explore/agguides/agengin/g01981.htm) • Rotorul lui Darrieus se bazează pe principiul variaţiei periodice a incidenţei. Un profil plasat într-un curent de aer, în funcţie de diferitele unghiuri, este supus unor forţe ale căror intensitate şi direcţie sunt diferite. Rezultanta acestor forţe determină apariţia unui cuplu motor care roteşte dispozitivul.

Imaginea unei eoliene Darrieus

(Sursa: http://www.jura.ch/lcp/forum/energies/vent.html)

Schema rotorului lui Darrieus

(Sursa: http://muextension.missouri.edu/explore/agguides/agengin/g01981.htm)

http://muextension.missouri.edu/explore/agguides/agengin/g01981.htm

http://www.jura.ch/lcp/forum/energies/vent.html

http://muextension.missouri.edu/explore/agguides/agengin/g01981.htm



III

73

Particularități ale turbinelor eoliene cu ax orizontal Funcţionarea eolienelor cu ax orizontal se bazează pe principiul morilor de vânt. Cel mai adesea, rotorul acestor eoliene are trei pale cu un anumit profil aerodinamic, deoarece, după cum s-a precizat anterior se obţine un bun compromis între coeficientul de putere, cost şi viteza de rotaţie a captorului eolian, ca şi o ameliorare a aspectului estetic, faţă de rotorul cu două pale. Eolienele cu ax orizontal sunt cele mai utilizate, deoarece randamentul lor aerodinamic este superior celui al eolienelor cu ax vertical, sunt mai puţin supuse unor solicitări mecanice importante şi au un cost mai scăzut.

Imaginea unei eoliene cu ax orizontal şi a unei mori de vânt

(Sursa: http://www.diebrennstoffzelle.de/alternativen/wind/index.shtml) Există două categorii de eoliene cu ax orizontal: • Amonte: vântul suflă pe faţa palelor, faţă de direcţia nacelei. Palele sunt rigide, iar rotorul este orientat, cu ajutorul unui dispozitiv, după direcţia vântului. • Aval: vântul suflă pe spatele palelor, faţă de nacelă. Rotorul este flexibil şi se auto-orientează.

a)Schema unei eoliene cu ax orizontal amonte b)Schema unei eoliene cu ax orizontal aval Soluția cu dispunerea amonte a turbinei este cea mai utilizată, deoarece este mai simplă şi dă cele mai bune rezultate la puteri mari: nu are suprafeţe de direcţionare, eforturile de manevrare sunt mai reduse şi are o stabilitate mai bună. Palele eolienelor cu ax orizontal trebuiesc totdeauna, orientate în funcţie de direcţia şi forţa vântului. Pentru aceasta, există dispozitive de orientare a nacelei pe direcţia vântului şi de orientare a palelor, în funcţie de intensitatea acestuia. Cel mai ridicat interes pentru producerea de energie electrică la scară industrială îl prezintă turbinele eolienele cu ax orizontal cu rotorul de tip elice,.

http://www.diebrennstoffzelle.de/alternativen/wind/index.shtml



III

74

5.4. Structura funcțional-constructivă. Schema clasică de alcătuire. Structura funcțional-constructivă a unei turbine clasice este reprezentată în figura de mai jos:

Palele sau captorul de energie: Sunt realizate dintr-un amestec de fibră de sticlă şi materiale compozite. Ele au rolul de a capta

energia vântului şi de a o transfera rotorului turbinei. Profilul palelor determină în mod direct randamentul turbinei și acesta este rodul și constituie încă obiectul unor studii aerodinamice complexe. Caracteristicile de interes ale palelor sunt legate de: Diametrul palelor (sau suprafaţa acoperită de acestea) este în funcţie de puterea dorită:

Lăţimea palelor determină cuplul de pornire, care va fi cu atât mai mare cu cât palele sunt mai late; Profilul palelor care se alegeîn raport cu cuplul dorit în funcţionare;



III

75

Exemplu de profil al extremităţii unei pale a unei eoliene

(Sursa: Societatea Laborelec- Belgia)

Numărul de pale depinde de tipul turbinei eoliane. În prezent, sistemul cu trei pale este cel mai utilizat, deoarece asigură limitarea vibraţiilor, a zgomotului şi a oboselii rotorului, faţă de sistemele mono-pală sau bi-pală. Coeficientul de putere este cu 10 % mai mare pentru sistemul bi-pală faţă de cel mono-pală, iar creşterea este de 3% între sistemul cu trei pale faţă de două pale. În plus, este un compromis bun între cost şi viteza de rotaţie a captorului eolian şi avantaje din punct de vedere estetic pentru sistemul cu trei pale, faţă de cel cu două pale.

Schema eolienelor mono-pală, bi-pală şi cu trei pale

(Sursa: Societatea Laborelec- Belgia)

Butucul.

Este prevăzut cu un sistem de orientare a palelor pentru controlul vitezei de rotaţie a turbinei eoliene (priza de vânt) de tip: Pasiv (aerodinamic): În cazul controlului aerodinamic pasiv, numit şi "stall control" palele

eolienei sunt fixe în raport cu butucul turbinei. Ele sunt concepute special pentru a permite deblocarea în cazul unui vânt puternic. Deblocarea este progresivă, până când vântul atinge viteza critică. Acest tip de control este utilizat de cea mai mare parte a eolienelor, deoarece are avantajul că nu necesită piese mobile şi sisteme de comandă în rotorul turbinei.

Activ (hidraulic): Sistemul de control activ, prin motoare hidraulice, numit şi "pitch control" asigură modificarea unghiului de incidenţă a palelor pentru a valorifica la maximum vântul instantaneu şi pentru a limita puterea în cazul în care vântul depăşeşte viteza nominală. În general, sistemul roteşte palele în jurul propriilor axe (mişcare de pivotare), cu câteva grade, în funcţie de viteza vântului, astfel încât palele să fie poziţionate în permanenţă sub un unghi optim în raport cu viteza vântului pentru a se obține în orice moment puterea maximă. Sistemul permite limitarea puterii în cazul unui vânt puternic (la limită, în caz de furtună, trecerea palelor în "drapel").

Mixt (active stall): La acest tip de control se vizează utilizarea avantajelor controlului pasiv şi al celui activ, pentru a controla mai precis conversia în energie electrică. Acest sistem este numit control activ cu deblocare aerodinamică, sau "active stall". El este utilizat în cazul turbinelor eolienele de foarte mare putere.



III

76

Imagine a butucului unei eoliene, dotat cu sistem de orientare a palelor (Sursa: Societatea Laborelec- Belgia)

Arborele primar: Este arborele rotorului turbinei eoliene. Se mai numeşte arborele lent, deoarece el se roteşte cu

viteze de ordinul a 20 - 40 rot/min. El transmite mişcarea, arborelui secundar prin intermediul

multiplicatorului.

Multiplicatorul mecanic de viteză:

Permite transformarea puterii mecanice, caracterizată de cuplu mare şi viteză mică specifică turbinei eoliene, în putere de viteză mai ridicată, dar cuplu mai mic. Aceasta deoarece viteza turbinei eoliene este prea mică, iar cuplul prea mare, pentru a fi aplicate direct generatorului. Multiplicatorul asigură conexiunea între arborele primar (al turbinei eoliene) şi arborele secundar (al generatorului). Există mai multe tipuri de multiplicatoare, cum ar fi: • Multiplicatorul cu una sau mai multe trepte de roţi dinţate, care permite transformarea mişcării mecanice de la 19-30 rot/min la 1500 rot/min. Axele de rotaţie ale roţilor dinţate sunt fixe în raport cu carcasa. • Multiplicatorul cu sistem planetar, care permite obţinerea unor rapoarte de transmisie mari, într-un volum mic. În cazul acestora, axele roţilor numite sateliţi nu sunt fixe faţă de carcasă, ci se rotesc faţă de celelalte roţi. Există şi posibilitatea antrenării directe a generatorului, fără utilizarea unui multiplicator.

(Sursa: Societatea Laborelec-Belgia) (Sursa: Societatea Laborelec-Belgia) (Sursa: Societatea Laborelec-Belgia)

Imagine din interiorul unei nacele: Imaginea pilonului unei eoliene



III

77

Arborele generatorului sau arborele secundar Antrenează generatorul electric, sincron sau asincron, ce are una sau două perechi de poli. El este

echipat cu o frână mecanică cu disc (dispozitiv de securitate), care limitează viteza de rotaţie în cazul

unui vânt violent. Pot exista şi alte dispozitive de securitate.

Generatorul electric. Acesta asigură producerea energiei electrice. Puterea sa poate atinge până la 4,5 MW (pentru cele

mai mari turbine eoliene). În prezent se desfăşoară cercetări pentru realizarea unor eoliene de putere mai mare (5 MW). Generatorul poate fi de curent continuu sau de curent alternativ. Datorită preţului şi randamentului, se utilizează, aproape în totalitate, generatoare de curent alternativ. Acestea pot fi : sincrone sau asincrone, și pot funcţiona la viteză fixă sau variabilă.

Generatorul sincron sau maşina sincronă (MS) se poate utiliza în cazul antrenării directe, respectiv legătura mecanică dintre arborele turbinei eoliene şi cel al generatorului se realizează direct, fără utilizarea unui multiplicator. În consecinţă, generatorul este conectat la reţea prin intermediul unui convertor static. Dacă generatorul este cu magneţi permanenţi, el poate funcţiona în mod autonom, neavând nevoie de excitaţie. Excitația acestuia se poate realiza : Electric : Bobinele circuitului de excitaţie (situate pe rotor) sunt alimentate în curent continuu,

prin intermediul unui sistem de perii şi inele colectoare fixate pe arborele generatorului. Alimentarea se poate face prin intermediul unui redresor, ce transformă energia de curent alternativ a reţelei, în curent continuu. Există însă mai multe metode de realizare a excitaţiei. Generatoarele sincrone cu excitaţie electrică sunt cele mai utilizate în prezent.

Cu magneţi permanenţi (MSMP). Sursa câmpului de excitaţie o constituie magneţii permanenţi situaţi pe rotor, fiind astfel independentă de reţea. Acest tip de maşină are tendinţa de a fi din ce în ce mai utilizată de către constructorii de eoliene, deoarece ea funcţionează autonom, iar construcţia în ansamblu, este mai simplă.

Generatorul asincron (sau maşina asincronă -MAS) este frecvent utilizată, deoarece acesta poate suporta uşoare variaţii de viteză, ceea ce constituie un avantaj major pentru aplicaţiile eoliene, în cazul cărora viteza vântului poate evolua rapid, mai ales pe durata rafalelor. Acestea determină solicitări mecanice importante, care sunt mai reduse în cazul utilizării unui generator asincron, decât în cazul generatorului sincron, care funcţionează în mod normal, la viteză fixă. Maşina asincronă este însă puţin utilizată pentru eoliene izolate, deoarece necesită baterii de condensatoare care să asigure energia reactivă necesară magnetizării. Cu rotor bobinat. Înfăşurările rotorice, conectate în stea, sunt legate la un sistem de inele şi perii ce

asigură accesul la înfăşurări, pentru conectarea unui convertor static în cazul comenzii prin rotor (maşina asincronă dublu alimentată - MADA).

În scurt-circuit. Rotorul este construit din bare ce sunt scurtcircuitate la capete prin intermediul unor inele. Înfăşurările rotorice nu sunt accesibile.

Cu titlu informativ, maşinile cele mai utilizate pentru realizarea eolienelor sunt cele asincrone cu rotorul în scurtcircuit (aproximativ 90% în 1997, 60% în 2001) dar se observă tendinţa de scădere a ponderii lor.

Generatoarele asincrone cu rotor bobinat s-au dezvoltat în ultimii ani (de la 3% în 1997, s-a ajuns la aproximativ 30% în 2001).



III

78

Maşinile sincrone cu rotor bobinat (cu excitaţie electrică) îşi sporesc, de asemenea, ponderea. Ele reprezentau peste 5% în 2001.

Sistemul electronic de control a funcţionării generale a eolienei şi a mecanismului de orientare asigură pornirea eolienei, reglarea înclinării palelor, frânarea, ca şi orientarea nacelei în raport cu vântul.

Sistemul de orientare a nacelei este constituit dintr-o coroană dinţată (cremalieră) echipată cu un motor. El asigură orientare eolienei şi "blocarea" acesteia pe axa vântului, cu ajutorul unei frâne.

Sistemul de răcire deservește atât multiplicatorul de viteză ce transmite eforturile mecanice între cei doi arbori, cât şi generatorul. Este constituit din radiatoare cu apă sau ulei şi ventilatoare. Răcirea cu ulei este utilizată pentru multiplicatoare.

Pilonul este, în general o construcție realizată dintr-un tub de oţel şi un turn metalic. El susţine turbina eoliană şi nacela. Alegerea înălţimii este importantă, deoarece trebuie realizat un bun compromis între preţul de construcţie şi expunerea dorită la vânt. În consecinţă, odată cu creşterea înălţimii, creşte viteza vântului, dar şi preţul. În general, înălţimea pilonului este puţin mai mare decât diametrul palelor. Înălţimea eolienelor este cuprinsă între 40 şi 80 de metri. Prin interiorul pilonului trec cablurile care asigură conectarea la reţeaua electrică.

5.5.Turbine eoliene cu viteză fixă

Maşină asincronă cu rotor în scurtcircuit conectată direct la reţea + multiplicator.

Conectarea unei turbine eoliene cu o astfel de structură la reţea se realizează în două etape:



III

79

O primă etapă constă în conectarea înfăşurării statorice la reţea cu rezistenţe înseriate, pentru a se

reduce curenţii statorici tranzitorii. Pe durata acestei etape, palele turbinei sunt orientate astfel

încât cuplul dezvoltat să fie nul.

După câteva secunde, rezistenţele din circuitul statoric sunt scurtcircuitate (eliminate), apoi

sistemul de reglare comandă orientarea palelor în scopul creşterii puterii.

Regimul tranzitoriu la conectare determină apariţia unor curenţi importanţi, ce sunt limitaţi de

către rezistenţe.

Rezistenţele pot fi înlocuite cu variatoare de tensiune alternativă (VTA), prin modificarea

unghiului de comandă, reglându-se tensiunea de alimentare, astfel încât curentul să nu atingă valori

periculoase pe durata etapei de conectare.

Schema de conectare directă la reţea a unei eoliene cu maşină asincronă cu rotor în scurtcircuit

Maşină asincronă cu stator dublu

Această configuraţie oferă posibilitatea funcţionării eolienei cu două viteze. Statorul este realizat din două bobinaje, care determină un număr variabil de poli şi deci domenii diferite de viteză. Se pot impune 2 viteze de sincronism, prin schimbarea numărului de perechi de poli.

Pe de o parte, pe stator există un bobinaj de mică putere, dar care creează un număr mare de poli, care este utilizat la viteze mici ale vântului.

Puterea debitată în reţea este

, în care:

este puterea transmisă de generator în reţea;

este cuplul electromagnetic;

este viteza de sincronism

Cu -pulsaţia reţelei, iar p numărul de perechi de poli.

La viteze reduse ale vântului, puterea recuperată de eoliană este mică. De asemenea, datorită numărului mare de poli, şi viteza d sincronism este mică, aşa cum evidenţiază relaţia de mai sus. Pe de altă parte, statorul mai este dotat cu o înfăşurare de putere mai mare, dar cu număr mai mic de poli, care este utilizată atunci când viteza vântului este suficient de mare. La viteze mari ale vântului, puterea recuperată, ca şi viteza turbinei sunt mai mari.



III

80

Schema de conectare la reţea a unei eoliene cu maşină asincronă cu stator dublu

5.6.Turbine eoliene cu viteză variabilă Datorită faptului că viteza vântului este variabilă, este de dorit să se poată optimiza puterea

debitată în reţea, în raport cu variația vitezei vântului. Acest lucru se poate realiza prin reglarea vitezei de rotaţie a eolienei. Ideea de bază este de a realiza un generator cu frecvenţă fixă, dar cu viteză variabilă. Generatorul cu viteză variabilă ar permite funcţionarea pentru o gamă mult mai largă a vitezei vântului, deci recuperarea unei cantităţi mai mari din energia vântului, reducând în acelaşi timp zgomotul pe durata intervalelor cu vânt slab.

În cazul eolienelor cu viteză variabilă, sistemul este reglat astfel încât, pentru fiecare viteză a vântului, eoliana să funcţioneze la puterea maximă.

Acest tip de reglaj este cunoscut sub denumirea de Maximum Power Point Tracking (MPPT). Pentru o anumită viteză de rotaţie a eolienei, puterea maximă se obţine în concordanţă cu caracteristica eolienei P(Ω).



III

81

Viteza de rotaţie se poate modifica în limite largi (într-un domeniu de până la 3), prin modificarea frecvenţei de alimentare a maşinii.

Sistemele de valorificare a energiei eoliene cu turbine cu viteză variabilă ce funcţionează conectate la reţea, utilizează convertoare statice de frecvențî și tensiune (CSTF).

Convertoare statice de tensiune şi frecvenţă (CSTF) Prin modificarea vitezei, frecvenţa şi amplitudinea tensiunii la ieşirea generatorului sunt variabile.

Pentru conectarea la reţea, energia electrică trebuie transformată şi adusă la parametrii constanţi ai reţelei. În acest scop se utilizează convertoare statice de tensiune şi frecvenţă, interpuse între generator (sincron sau asincron) şi reţea. Acesta transformă energia de curent alternativ în curent continuu, generează energie de curent alternativ, ce este filtrată pentru asigura conectarea cu reţeaua de distribuţie, fără a produce perturbarea acesteia. Generatoarele astfel echipate pot suporta rafale ale vântului, reducând solicitările mecanice.

Lanţul de conversie va cuprinde: generatorul convertorul static de tensiune şi frecvenţă, compus din:

o convertor c.a.-c.c. (redresor) (1). Se utilizează redresoare necomandate, cu diode, în cazul generatoarelor sincrone. Acestea sunt convertoare unidirecţionale.În cazul generatoarelor asincrone, se utilizează redresoare cu comanda duratei de timp. Acestea pot furniza şi energia reactivă necesară magnetizării.

o convertor c.c.-c.a. (invertor) (2). Prin comanda acestuia, se poate regla frecvenţa şi valoarea eficace a energiei, astfel încât să se poată realiza conectarea la reţea. Se preferă utilizarea invertoarelor cu modulaţie în durată, deoarece calitatea energiei furnizate este mai bună (conţinut mai redus de armonici).

Comanda acestor convertoare se realizează cu plăci de comandă numerice specializate, implantate în PC. Controlul transferului de putere între redresorul cu modulaţie în durată şi invertor se realizează prin controlul circuitului intermediar de c.c. Acesta conţine un condensator de valoare importantă, ce asigură atât filtrarea tensiunii, cât şi caracterul de sursă de tensiune al circuitului intermediar.

5.7. Măsuri speciale pentru conectarea la Sistemul Electroenergetic Național a turbinelor

eoliene Reţeaua de distribuţie a energiei electrice la care se conectează turbinele eoliene se caracterizează

prin valorile tensiunii şi frecvenţei curenului vehiculat. Din acest motiv, trebuie luate măsuri speciale în ceea ce priveşte efectul regimurilor tranzitorii de funcționare a eolienelor, cum ar fi pornirea, oprirea sau absorbţia rafalelor.

În ceea ce priveşte pornirea, aceasta se va realiza cu ajutorul unor variatoare de tensiune alternativă (VTA) cu tiristoare. Prin modificarea unghiului de comandă ale acestora, se reglează tensiunea de alimentare a maşinilor (pornirea se realizează pe caracteristici artificiale de tensiune).

Normele de calitate a energiei, impun, de asemenea, ca eolienele să genereze cât mai puţine armonici. Acestea sunt cauzate de convertoarele statice de tensiune şi frecvenţă utilizate pentru conectarea generatoarelor la reţeaua de distribuţie. Trebuie deci căutate soluţii pentru ameliorarea acestora şi utilizarea filtrelor. În acelaşi timp, trebuie asigurată şi energia reactivă necesară magnetizării maşinilor (aceasta trebuie să fie asigurată într-o proporţie cât mai mică din reţeaua de

http://em.ucv.ro/elee/RO/realisations/ElectroniquePuissance/Onduleurs/CdeMLI/CdeMLI.htm



III

82

distribuţie). De asemenea, trebuie să se ţină cont de faptul că în realitate, reţeaua de distribuţie nu are putere

infinită, deci stabilitatea parametrilor ei (frecvenţa, valoarea eficace) poate fi influenţată de eolienele, care sunt de puteri din ce în ce mai mari (în prezent, până la 5 MW).

Aceste probleme de conectare a eolienelor, se pun în cazul fermelor de turbine eoliene, al turbinelor eolienelor de medie putere şi a celor cu putere mai mare de 100 kW, conectate la reţea. Energia produsă de acestea este vândută direct societăţilor care gestionează reţelele.

Pentru a satisface exigenţele reţelei, trebuiesc instalate diferite echipamente care concură la conectarea eolienei:

Transformatorul ridicător de tensiune. Generatoarele eolienelor au tensiunea nominală, în general, de ordinul a 690 V. Transformatoarele asigură conectarea acestora la reţeaua de distribuţie, care de cele mai multe ori este de 20 kV. În prezent, nu există nici o turbină eoliană care să poată fi conectată direct la reţea, fără utilizarea unui transformator ridicător.

Bateriile de condensatoare. Pentru ameliorare factorului de putere al instalaţiei, se conectează baterii de condensatoare, ce sunt constituite din trei baterii de condensatoare monofazate, conectate în triunghi. Bateriile de condensatoare asigură şi compensarea puterii reactive consumate (ca o medie, ţinând cont de neregularităţile vântului). Energia reactivă este necesară maşinilor asincrone pentru magnetizare. Astfel, bateriile de condensatoare (surse de energie reactivă) asigură local energia necesară magnetizării, ameliorând astfel factorul de putere global al eolienei. În cazul funcţionării autonome a turbinelor eoliene, bateriile de condensatoare sunt indispensabile pentru asigurarea energiei reactive necesare magnetizării maşinii.



III

83

Exerciții fixare cunoștiințe.

Exercițiul 1.

Să se dimensioneze palele unei eoliene cu viteză fixă, pentru obţinerea unei puteri mecanice de 750

Kw 500, la o viteză a vântului de 13,8 11m/s. Se consideră un coeficient de putere Cp egal cu 0,2.

Care va fi lungimea palei, sau raza de baleiere a turbinei eoliene? Se va utiliza relaţia prezentată în cadrul cursului:

Răspuns Pornind de la relaţia coeficientului de putere Cp prezentată în cadrul cursului:

Cu: P = 750 x 10 3 W

V =13,8 m/s

Cp = 0,2

Exerciţiul 2: Viteza de rotaţie şi puterea electrică a unei eoliene

Se consideră instalaţia din figura următoare:

Turbina eoliană antrenează generatorul asincron (MAS) cu rotorul în scurtcircuit, care debitează în

reţeaua de distribuţie.

Se dau:

Densitatea aerului:

Raza palelor: R = 45 m

Raportul de transmisie al multiplicatorului: k = 70

Numărul de perechi de poli ai MAS: p = 2



III

84

Frecvenţa reţelei: f = 50 Hz

Întrebarea 1

Calculaţi pentru alunecarea s de -1 %:

- Viteza rotorului generatorului asincron în rad/s, şi turaţia N în rot/min.

- Viteza arborelui primar al eolienei în rad/s, şi turaţia în rot/min.

Expresia alunecării unui motor asincron:

- Utilizaţi raportul de transmisie al multiplicatorului

Răspuns 1

Întrebarea 2

Se presupune că viteza vântului este contantă şi egală cu 10 m/s. Valoarea maximă a coeficientului

de putere Cp real este 0,4. Calculaţi pentru aceeaşi alunecare de la întrebarea 1, viteza specifică şi

puterea electrică maximă Pe furnizată în reţea de către eoliană. Se va considera randamentul

multiplicatorului de 97 %, iar a generatorului de 96 %.

Răspuns 2 Cp max = 0,4 din cauza limitei lui Betz, pentru o eoliană de putere reală.

= 2,2 rad/sec (rezultatul întrebării 1)

Puterea mecanică la ieşirea turbinei este:

Puterea electrică la ieşirea generatorului este:



III

85

Exerciţiul 3: Studiul generatorului asincron al unei eoliene

Eolienele transformă energia mecanică a vântului în energie electrică. Vă propunem să studiaţi generatorul

asincron al unei eoliene instalate într-o fermă eoliană cu puterea totală de 7,5 MW. Eolienele funcţionează

cu viteză fixă, generatorul fiind conectat la reţea. Se vor determina puterea, viteza de rotaţie a arborelui

generatorului, schema echivalentă a generatorului. Eolienele conţin şi multiplicatoare.

Schema de principiu este cea din figura de mai jos:

Se consideră cunoscute următoarele date:

V = 15 m/s, viteza nominală a vântului, presupusă constantă

N = 32,8 rot/min, viteza nominală a turbinei eoliene

, densitatea aerului

Cp = 0,27, coeficientul de putere sau aerodinamic al turbinei eoliene

R = 21,7 m, raza palelor turbinei eoliene

Întrebarea 1

Calculaţi puterea electrică la ieşirea generatorului şi viteza de rotaţie a arborelui generatorului, ştiind

că multiplicatorul are raportul de transmisie de 46,48 şi randamentul de 96%, iar turbina eoliană se roteşte

cu 32,5 rot/min. Se neglijează pierderile generatorului.

Răspuns 1

Puterea vântului, ca mărime de intrare în turbina eoliană, este:

Prin trecerea vântului prin palele turbinei eoliene, se recuperează puterea mecanică a vântului, corectată cu

coeficientul Cp:



III

86

Puterea mecanică recuperabilă la intrarea generatorului este:

Această putere este negativă, din punctul de vedere al convenţiei de motor pentru MAS, deoarece maşina

funcţionează ca generator. Ceea ce ne interesează este puterea electrică obţinută la ieşirea generatorului.

Prin enunţ, neglijându-se pierderile din generator:

şi

Se obţine că:

Viteza de rotaţie a generatorului este:

Întrebarea 2

În continuare, se doreşte să se determine parametrii schemei echivalente a motorului asincron. Se va

presupune că este îndeplinită ipoteza lui Kapp.



III

87

Schema echivalentă pe fază a maşinii asincrone

Plăcuţa indicatoare a maşinii (proiectată ca generator) indică: 4 poli, tensiune nominală (de linie): 660 V,

curent nominal: 760 A, conexiune: Y (stea), frecvenţa nominală: 50 Hz, putere: 790 kW (cu luare în

considerare a pierderilor electrice), : 0,91, viteza nominală: 1509 rot/min.

Se realizează două probe:

- Funcţionarea în gol:

Tensiune 660,3 V

Curent 209,4 A

Putere absorbită 11,17 kW

- Proba cu rotorul calat

Tensiune 120,1 V

Curent 980 A

Putere absorbită 25,6 kW

- Proba în curent continuu

Rezistenţa statorică între două borne este 5,63 m Ω.

Se dau :

Puterea mecanică a vântului:

- Valorificarea probei de funcţionare în gol

Determinaţi pierderile Joule statorice şi rotorice , precum şi pierderile statorice în fier . Deduceţi

rezistenţa şi reactanţa a schemei echivalente.

Răspuns:

Făcând proba de funcţionare în gol:

Cu



III

88

şi

Cum maşina funcţionează în gol:

Parametrii schemei echivalente:

Trebuie determinată puterea reactivă absorbită , care este:

Rezultă:

- Valorificarea probei cu rotorul calat

Calculaţi rezistenţa rotorică şi reactanţa de pierderi X raportată la stator.

Ipoteza lui Kapp specifică faptul că se poate neglija curentul de magnetizare în cazul probei cu rotorul calat.

Răspuns :

La proba cu rotorul calat:

de unde



III

89

de unde

Trebuie determinată puterea reactivă la proba cu rotorul calat :

Rezultă:

Întrebarea 3

Determinaţi cuplul electromagnetic la arborele maşinii asincrone.

Expresia cuplului:

Răspuns 3

Bilanţul puterilor este:

La funcţionarea ca generator, puterea electrică furnizată este egală cu puterea mecanică , mai

puţin pierderile mecanice ale maşinii , rezultând:



III

90

Cuplul electromagnetic se obţine apoi din expresia puterii mecanice şi a vitezei de rotaţie a MAS, :

Întrebarea 4

Maşina asincronă consumă putere reactivă. Pentru compensare acestui consum de putere reactivă, se

conectează o baterie de condensatoare ce furnizează 125 kVAR la tensiunea de nominală de 660 V. Calculaţi

capacitatea condensatorului echivalent .

Răspuns 4

Energia reactivă furnizată de un condensator este :

De unde:

Exerciţiul 4: Identificarea limitei lui Betz - Probleme de curs

Energia electrică pe care o ve debita eoliana, depinde de puterea mecanică pe care o va recupera de

la vânt. Acest exerciţiu va arăta care este cantitatea de energie mecanică pe care o va recupera

turbina de la vânt.

Trecerea vântului prin rotorul turbinei va fi modelată printr-un tub de flux de aer cu vitezele V1, V şi

V2, înainte, în dreptul palelor, respectiv după pale. Aerul este caracterizat de densitatea [ ],

suprafaţa acoperită de pale fiind S [m²].

Întrebarea 1 Care este puterea P recuperată de rotorul turbinei?

Răspuns 1



III

91

Întrebarea 2

Care este variaţia energiei cinetice a masei de aer, într-o secundă?

Răspuns 2

Întrebarea 3 Ce relaţie există între vitezele V, V1 şi V2?

Răspuns 3

Se poate exprima: P = | |, respectiv:

Simplificând:

Rezultă:

Întrebarea 4 Determinaţi viteza V2, pentru care puterea recuperată este maximă.

Răspuns 4 În expresia puterii recuperate de turbină

,

se înlocuieşte rezultatul obţinut la Întrebarea 3

.

Se obţine

.

Viteza V2 pentru care puterea recuperată este maximă, rezultă din

,

respectiv:

ceea ce conduce la:

.

A rezultat o ecuaţie de ordinul II, în care necunoscuta este V2. Se obţine

.

Soluţiile sunt:

, deci imposibil şi



III

92

.

Puterea recuperată de turbina eoliană este maximă pentru

Întrebarea 5

Pentru cazul de mai sus, calculaţi puterea maximă pe care o poate recupera turbina eoliană.

Răspuns 5 Din răspunsurile de la Întrebările 3) şi 4) avem:

Se înlocuiesc expresiile (1) şi (3) în expresia puterii recuperate de turbina eoliană

, rezultând:

Se obţine:

Întrebarea 6

Deducerea valorii maxime a coeficientului de putere al unei eoliene.

Răspuns 6 Din noţiunile din cadrul cursului, se ştie că puterea vântului recuperabilă de o turbină eoliană este:

.

Identificând cu rezultatul de la Întrebarea 5):

Se obţine:

Concluzie: Din energia vântului, care este sursa primară a unui sistem eolian, nu se poate recupera decât maxim

59 %. Aceasta este ceea ce se numeşte limita lui Betz.

Exerciţiul 5: Parametrii unei eoliene de 300 kW 500 cu viteză fixă

Se dau câţiva parametri ai unei eoliene de 300 kW:

Diametrul palelor: 28 m 40m

Suprafaţa acoperită de rotor: 615 m²

Viteza nominală a vântului: 14 m/s 11m/s

Turaţia nominală de rotaţie a rotorului turbinei: 43 rot/min



III

93

Raportul de transmisie al multiplicatorului: 35

Turaţia nominală a MAS: 1515 rot/min

Se mai cunoaşte densitatea aerului 1,225 .

Întrebarea 1

Ce procent din energia vântului se va recupera în punctul nominal de funcţionare?

Răspuns 1 Se calculează coeficientul de putere al unei eoliene:

Se recuperează deci, doar 29% din energia vântului.

Întrebarea 2

Ce fel de eoliană este: lentă sau rapidă?

Răspuns 2

Se calculează viteza specifică a eolienei:

Cu ,

,

rezultă ,

deci, în concordanţă cu indicaţiile din curs, este vorba despre o eoliană rapidă.

Întrebarea 3

Care este turaţia nominală N a rotorului generatorului?

Răspuns 3 Se utilizează raportul de transmisie a multiplicatorului (k = 35) şi turaţia nominală a rotorului

turbinei (43 rot/min). Turaţia nominală a rotorului generatorului este deci:

N = 35. 43 = 1505 rot/min

Exerciţiul 6: Cuplul mecanic

Demonstraţi că expresia cuplului mecanic dezvoltat de turbină este

,

în care este coeficientul de cuplu, R raza palelor, iar V viteza vântului.

Demonstraţie: Puterea mecanică dezvoltată de turbina eoliană se exprimă în funcţie de coeficientul de putere Cp:

Coeficientul de cuplu se exprimă prin:

.

Rezultă:

.



III

94

Viteza specifică se exprimă deci

Simplificând:

Expresia cuplului mecanic este

,

deci

.

Cu , se obţine:



III

95

CAPITOLUL IV.

Sisteme de valorificare activă a energiei solare.

1.Captatoarele solare.

Energia solară este gratuită, curată și este disponibilă în cantități net superioare celor necesare.

In trecut, a fost practic singura disponibila, în prezent, dispunem de enorme progrese tehnologice

și probabil că în viitor, va fi singura utilizabila.

Poate fi captată prin:

sisteme pasive (așa cum am precizat anterior),

sisteme active.

Sistemele active au ca și componentă principală un dispozitiv/aparat/echipament de conversie a

energiei solare într-o altă formă de energie:

Energie termică: captator termic

Energie electrică: captator fotovoltaic

Energie chimică.

Pentru clădirile pasive interesează în mod special primele două forme de conversie.

1.1.Captatoare solare termice57.

Captatorul solar reprezintă componenta de bază a unui sistem „activ” de valorificare a

energiei solare. În cadrul acestui element se realizează conversia radiaţiei electromagnetice solare

în energie termică şi transferul către un agent caloportor.

S-a imaginat, dezvoltat și promovat o varietate foarte mare de captatoare solare termice care pot

satisface nevoi diferite. Alegerea unui anumit tip sau altul se realizează în raport cu temperatura

apei calde ce se doreşte la consumator, condiţiile climatice ale zonei respective și performanțele

captatorului pentru domeniul de utilizare. În general, cu cât temperatura este mai mare, tehnologiile

utilizate sunt mai avansate şi în consecință și costurile de producţie sunt ridicate. În consecință și

indicatorii economici specifici sunt criterii importante în alegerea tipului de captator.

Cele mai uzuale tehnologii adoptate pentru captatoare sunt:

captatoare plane fără vitrare

57

Ideea utilizării efectului termic al radiaţiei solare este veche: în antichitate Archimede a incendiat flota romană concentrând razele solare cu ajutorul oglinzilor (legendă); în secolul al XVIII-lea naturalistul Horace-Bénédict de Saussure a construit precursorul panoului solar de azi, o cutie simplă de lemn, cu interiorul vopsit în negru şi acoperită cu sticlă, cu care s-a atins o temperatură de 87°C; la mijlocul secolului al XIX-lea francezul Augustin Mouchot a dezvoltat panoul lui Saussure adăugându-i oglinzi concave; în anul 1878 la expoziţia mondială din Paris a fost expusă o maşină cu aburi acţionată cu energie solară şi s-a făcut propunerea utilizării acesteia pentru generarea de electricitate (francezul Augustin Mouchot).



III

96

captatoare plane cu vitrare

captatoare cu tuburi vidate

Captatoare fără vitraj. Din această gamă fac parte:

Captatoarele tip ”mochetă”. Acest tip de captatoare sunt realizate de regulă din material plastic polimerizat, negru, foarte rezistent (monomer de (EPDM)58. Pentru că nu are geamuri nu are pierderi prin transmisie și ca urmare acesta are o performanţă foarte bună pentru temperaturi aproape de temperatura aerului ambiant. Deci sunt recomandate pentru utilizarea în perioada de vară. Pe de altă parte însă pierderile de căldură cresc odată cu creşterea temperaturii apei, mai ales în zonele caracterizate de vânt puternic. Nu au izolaţie termică nici lateral şi nici la bază. Se amplasează pe acoperiş sau pe diferite suporturi (de lemn, beton…). Principalele avantaje sunt: sunt ieftine59, captează bine energia solară, se montează ușor Produc apă caldă dar nu produc apă fierbinte. Poate fi folosit atât pentru prepararea apei calde pentru piscine piscine publice sau private.

Figura.

Captatoarele cu aer. Sunt utilizate în general pentru uscarea diferitelor produse vegetale dar pot fi utilizate și pentru încălzirea cu aer cald a clădirilor cu regim de funcționare numai în timpul zilei.

Captatoare fără vitraj cu suprafață absorbantă metalică: utilizează o suprafață metalică absorbantă selectivă, ceea ce face ca temperatura la care pot ajunge să fie ușor mai mare decât a captatoarelor tip mochetă și în consecință să fie utilizate și în afara perioadei estivale. Captatorul plan, din oțel, cu strat de acoperire selectivă (vopsea) are performanțe foarte bune atunci când perioada cererii coincide cu perioada de însorire. Ele sunt insensibile la unghiul de incidenţă al radiaţiei solare. Poate fi utilizat pentru preîncălzire apei calde de consum. Principalul producător este societatea elveţiană SOLAR SA.

Figura. Captatoare fără vitraj cu suprafață absorbantă metalică

58

Monomer de etilenă propilenă alcadienă 59

in jur de 100 € / m²



III

97

Detaliu Soluție de amplasare

Captatoare plane vitrate. Sunt captatoarele cele mai răspândite și cele mai bine adaptate producerii de agent de încălzire și apă caldă de consum pentru clădiri. Sunt mult mai performante decât cele nevitrate, chiar dacă acestea au fost utilizate pe scară largă în Europa (în special pentru preîncălzirea apei calde de consum). În principiu, un astfel de captator plan se compune din :

un strat exterior transparent (sticlă)

o suprafață / o placă absorbantă ;

o izolaţie termică pe lateralele şi la baza captatorului. Suprafața absorbantă este pusă în contact sau integrează o tubulatură sub formă de serpentină sau registru, prin care circulă fluidul caloportor (apa) care preia energia de la suprafața absorbantă. Ansamblul suprafață absorbantă-tuburi circulație fluid sunt introduse într-o cutie paralelipipedică, acoperită cu una sau mai multe foi de sticlă, și protejată pe partea laterală și cea inferioară împotriva pierderilor termice. Poate fi realizat sub forma unui paralelipiped de dimensiuni diferite, sau sub forma unor componente separate, care urmează să fie integrate direct în arhitectura clădirilor. Suprafețe necesare pot varia de la câţiva metri pătraţi pentru preparatoarele solare individuale de apă caldă la mai multe sute de metri pătraţi pentru instalaţiile aferente clădirilor de tip codomeniu sau ansamblurilor de clădiri.

Figura. Captatoarele solare plane, vitrate, clasice.

a) Cu registru b)Cu serpentină

Panou registru- Sursa: Giordano Panou cu serpentină- Sursa Viessmann

Captatoarele cu tuburi vidate. Această tehnică a fost dezvoltată în urmă cu circa



III

98

treizeci de ani în scopul de a îmbunătăţi performanţa unui captator solar plan clasic prin diminuarea pierderilor spre mediul exterior, la care, pierderile termice prin conducție erau majoritare. În scopul reducerii acestor pierderi s-a utilizat proprietatea pe care o prezintă vidul de a nu transmite căldura prin fenomenul de conducție (densitatea particulelor existente într-un volum vidat este extrem de mică și respectiv și numărul de ciocniri dintre acestea, respectiv schimbul de căldură prin conducție este de asemenea extrem de mic), respectiv de a se comporta ca un material termoizolant. Aplicarea efectivă a acestei caracteristici s-a realizat prin introducerea suprafeței absorbante și a tubulaturii de circulație a fluidului caloportor într-un tub vidat60, realizat în general dintr-un tub exterior de sticlă termorezistentă, transparentă (borosilicată…) și rezistenta la șocuri mecanice (grindina de pana la 25mm diametru) și un tub interior, tot din sticlă borosilicată dar acoperit cu un strat de Al-N/Al ce absoarbe foarte bine căldura solara si are coeficient de reflexie foarte mic. Între cele două tuburi de sticlă se închide un spațiu vidat61.

Figura. Captatoarele cu tuburi vidate.

a)elemente componente

a1)ansamblu a2)Secțiune transversală tub

b)Secțiune longitudinală printr-un tub captator vidat c) Panou

Diminuarea pierderilor de căldură ca urmare a utilizării acestei tehnologii este cu atât mai semnificativă cu cât creşte diferența de temperatură agent caloportor - mediu înconjurător. Principiul este relativ simplu, dar procesul de fabricație este dificil din cauza legăturilor sticlă/metal necesare. Sunt utilizate pentru răcirea prin absorbţie, unde sunt necesare temperaturi de peste 80 °C, sau pentru producerea de apă caldă cu temperatură înaltă. Costul lor este relativ mare62. Pot fi utilizate și pentru producerea de apă caldă de consum, dar performanţele unui încălzitor solar de apă,

60

Tubul este vidat (aerul din interiorul tubului este evacuat) şi apoi sigilat. 61

Realizarea vidului intre cele doua tuburi se realizează, ca și la tubul cinescopic al unui televizor prin introducerea unui inel de bariu, care, în timpul procesului de fabricatie, este supus unor temperaturi inalte ceea ce permite inițierea unor reactii in care se vor absorbi CO, CO2, N2, O2,H2O si H2, proces însoțit de acoperirea părții de jos a tubului cu un strat argintiu lucios de bariu, (care indică prezenta vidului in tub). 62

Costul acestor captatoare este în general superior valorii de 700 € / m²



III

99

care produce apă caldă de 50°C, echipat cu panouri solare cu tuburi vidate nu sunt evidente, în raport cu cazul în care se utilizează captatoare vitrate plane. Alegerea captatoarelor solare cu tuburi vidate este atractivă pentru intervalele de temperatură pentru care captatoarele vitrate plane au curbe de randament căzătoare. Pot ajunge la temperaturi relativ ridicate (150 °C), cu randamente bune.

Captatoare cu tuburi vidate și circulație directă. În acest sistem, fluidul caloportor circulă în tubul vidat, grație unui tub în U (4) pe care este fixată o aripioară acoperită cu un strat selectiv. Concepția suprafeței absorbante și a tuburilor de circulație ale fluidului caloportor sunt similare cu cele ale unui captator plan. Ansamblul însă este suficient de compact încât poate glisa în interiorul unui tub de sticlă, vidat în prealabil și închis ermetic. Este singurul colector solar independent faţă de poziţia de montaj – poate fi amplasat atât pe faţada clădirii cât şi pe acoperişuri plane. Fiecare tub colector poate fi rotit axial, pentru a asigura o orientare optimă spre razele solare. Exemple de astfel de captatoare: Vitosol 200 (Viessmann), sau "Cortec" (Giordano).

Figura. Captator cu tuburi vidate și circulație directă.

a) Elemenete componente 1.suport 2.Aripioară acoperită cu strat selectiv 3.Tub vidat 4. tub U 5.termoizolație

b)Captator solar tip . Elemenete componente 1.Izolaţie termică performantă 2 Ţeavă de distribuţie coaxială 3 Ţeavă colectoare 4 Suprafaţă de absorbţie cu acoperire din Sol-Titan cu circulaţie directă 5.Sticlă de calitate superioară cuconţinut redus de feroase

Captatoare cu tuburi termice. Un astfel de captator este un captator cu tub vidat care are în interiorul său un tub termic din cupru ce conține un agent termic cu punct de fierbere scăzut utilizat la transferul energiei calorice. Tubul termic este legat de un condensator introdus prin contact direct într-un schimbător de căldură. Deci, în aceste sisteme, căldura este transportată /transferată cu ajutorul tubului termic63.

Tubul termic se află în interiorul tubului solar și este realizat din cupru cu o puritate foarte ridicată (Cu 12200), iar în interiorul acestuia se află un agent de vaporizare ce permite apariţia fenomenului de evaporare (fierbere) la temperaturi scăzute. Tubul termic joacă rolul unui schimbător de căldură, utilizând mecanismele de transfer de căldură, prin evaporarea şi condensarea fluidului introdus în tubul din cupru. fenomene amplasat într-un tub sigilat. ). Fluidul se evaporă pe măsură ce preia căldură de la mediu înconjurător, în partea inferioară a tubului, unde acesta este încălzit de radiația solară, urcă gravitațional până la colector, unde, prin procesul de condensare, cedează din energia sa fluidului calo-portor care circulă în partea

63

Tubul termic a fost descris la punctul 4.



III

100

superioară, după care se întoarce prin gravitaţie, în partea de jos a tubului. Astfel se realizează transformarea energiei solare captate, în energie termică. Fiecare tub termic este introdus într-un schimbător de căldură izolat termic şi protejat cu tablă din aluminiu. Pentru ca întoarcerea să se realizeze gravitațional, aceste tuburi trebuie să fie instalate inclinat față de orizontală. Acest tip de aranjament permite înlocuirea unui tub în caz de spargere, fără golirea întregul sistem.

Există mai multe modele de alcătuire:

-cele mai simple au tubul termic încastrat la partea inferioară într-o aripioară metalică, care intensifică procesul de încălzire în dreptul evaporatorului, favorizând evaporarea;

-cele mai performante au montate aripioare metalice pe toată lungimea tubului, ceea ce face ca randamentul de conversie să crească substanțial.

Figura. Captatoare cu tuburi termice

a) Panou: Vedere de sus + Secțiune longitudinală b) Vedere+secțiune laterală tub captator



III

101

a)Secțiune longitudinală tub captator b)Detaliu racord tub captator cu colectorul: 1. Capac plastic; 2. Senzor de temperatură; 3. Capac condensator; 4. Izolație poliuretan; 5. Colector Cupru; 6. Condensator; 7. Tub vidat.

d.Captaor solar cu tuburi termice și aripioare

d1.Ansamblu

1.Tub de sticlă vidat

2.Tub termic;

3.Colector izolat în interiorul unei anvelope de protecție.

4.Anvelopă protecție

d2. Detaliu 1. Colector izolat în interiorul unei anvelope de protecție. 2. Condensatorul tubului termic; 3. Fluxul de apă prin colector; 4. Tub de oţel etanș; 5. Absorbitor 6. Întoarcere lichid condensat; 7. Flux vapori ascendent; 8. Tub de sticlă vidat

Tub termic Condensator Detaliu îmbinare tub termic-condensator Vedere de ansamblu.



III

102

Captatoare cu tuburi vidate cu efect "Thermos". La aceste captatoare absorbitorul nu este în tub, dar glisează în spațiul interior al unui tub dublu de sticlă. Tubul interior serveşte ca absorbant deoarece suprafaţa sa este tratată astfel încât să aibă proprietăți absorbante şi selective. Aceasta face ca suprafața să capteze radiația solară, dar prin încălzire aceasta emite foarte puține radiaţii în domeniul infraroşu. Căldura este transmisă în partea superioară a anvelopei vidate a tubului prin circulația unui fluid aflat în contact cu absorbitorul sau printr-un tub termic. Prezintă avantajul că se evită sudura sticlă-metal, care este o sudură delicată dar este vulnerabilă zona de legătură cu colectorul.

Captatoarele sub vid cu concentratoare parabolice de radiație. Acestea combină efectul de concentrare a radiației solare dat de oglinzile parabolice cu captatoarele sub vid, permițând obținerea de temperaturi înalte cu ajutorul unor suprafețe de captare reduse.

Figura. Captatoarele sub vid cu concentratoare parabolice de radiație

Detaliu Ansamblu.

Sistemul Bosh.

Captatoare cu concentrare.

Figura.



III

103

Cu concentratoare cilindro-parabolice. Funcționează cu un sistem de urmărire a soarelui pe două axe, pentru concentrarea pe un punct sau pe o singură axă/direcție, pentru concentrarea pe o linie. În raport cu soluția de concentrare temperatura este mai mică sau mai mare. Acestea concentrează lumina pe o suprafață absorbantă (absorbeur) liniară, cu sistemul de urmărire pe o singură direcție. Factorul de concentrare nu este foarte ridicat și în consecință nici temperaturile obținute (200-400 0C). Se utilizează de fapt în cadrul centralelor solare de generare a energiei electrice64. Există două variante distincte în raport cu partea mobilă: cu oglinzile mobile; cu absorbeurul mobil.

Captatorul cu concentratoare tip ”farfurie”/”disc”. Acestea concentrează lumina asupra unui absorbitor punctual cu ajutorul unui sistem de urmărire a soarelui pe două direcții. Factorul de concentrare este mult mai mare și în consecință și temperatura atinsă (400-800 0C). Se utilizează, ca și cele cu concentratoare cilindro-parabolice, fapt în cadrul centralelor solare de generare a energiei electrice.

Figura. Captatoare cu concentratoare cilindro-parabolice

a)Componente. b)cu oglinzile mobile c)cu dispozitivul absorbant mobil.

Figura. Captatoare cu concentratoare ”farfurie”/disc.

a)Componente. b)Soluții de cuplare

64

Prima centrala de acest fel a fost realizată în SUA de către compania Luz Solar



III

104

Captatoare stocatoare. În această categorie intră peretele captator și peretele Trombe prezentate anterior, precum și captatorul stocator tip dală de beton. Practic, elementul de pardoseală/planșeu din beton este activat prin intermediul unui fluid încălzit solar, care circulă prin tubulatura integrată în acesta.

Figura. Captatoare stocatoare

Perete captator Captator dală din beton

1.2. Principiu de funcționare. Caracteristici principale.

Cel mai utilizat captator solar, captatorul solar plan vitrat, este compus din:

O suprafață absorbantă, respectiv un element absorbant, acoperit în general cu un strat

selectiv, în contact cu un tub metalic, (în general din Cu), prin care circulă fluidul

caloportor care transportă energia până în exteriorul tubului;

O suprafață vitrată care favorizează efectul de seră și reduce pierderile prin convecție;

Un material termoizolant, pentru reducerea pierderilor spre exterior;

și eventual

O carcasă care să înglobeze ansamblul de elemente componente, sau dispozitive de

integrare direct în acoperiș. Se are în vedere etanșarea ansamblului împotriva infiltrării

apei de ploaie.

Figura.

Principiul de funcționare



III

105

O parte din radiația solară care cade pe suprafața vitrată traversează această suprafață și ajunge la suprafața absorbantă. Aceasta se încălzește și transmite căldura fluidului caloportor care circulă prin tuburi. Prin încălzirea sa aceasta emite radiații (cea mai mare parte în domeniul infraroșu), care, pe de-o parte sunt absorbite de vitraj, iar pe de altă parte reflectate de către filmul amplasat peste termoizolație. Pentru ca fluidul să preia un maxim de energie, deci, pentru ca pierderile spre mediul înconjurător să fie minime, se amplasează un strat termoizolant între carcasă și restul ansamblului.

Figura.

Proprietățile optice ale materialului.

La contactul cu un material, radiația incidentă se descompune în trei părți: o parte este reflectată, o parte este absorbită și restul transmisă.

Materiale nu se comportă identic în raport cu radiația incidentă. O parte dintre acestea sunt transparente la anumite lungimi de undă și le absorb pe celelalte (sticla este transparent pentru radiația în domeniu vizibil și opacă pentru radiația în domeniul ultraviolet - UV și infraroșu -IR).

Funcție de unghiul de incidență asupra materialelor, radiația va fi mai mult sau mai puțin reflectată.

Cantitatea de energie absorbită de la radiație depinde de unghiul de incidență al acesteia și de coeficientul de absorbție65 al materialului pentru diverse lungimi de undă.

Proprietățile optice ale materialelor sunt caracterizate cu ajutorul a 3 coeficienți:

: factorul de reflexie;

: factorul de absorbție (absorbtivitatea);

: factorul de transmisie/transmitanţă/transmisivitatea66.

65

Fenomenul de absorbție este favorizat de reflexiile interne multiple produse pe suprafeţele de separaţie dintre materialul transparent şi aer 66

definit/definită ca fiind proprietatea care defineşte capacitatea materialului de a permite trecerea radiaţiei

prin acesta. Transmitanţa reprezintă fracţia din radiaţia solară incidentă care trece prin material. Radiaţia

reflectată se pierde, ca şi cea absorbită de material. Valoarea 1 a transmitanţei, are semnificaţia faptului că

toată radiaţia incidentă traverează materialul transparent.



III

106

Între acești trei coeficienți există relația:

𝜌 + 𝛼 + 𝜏 = 1

În plus, toate corpurile care se încălzesc emit la rândul lor o radiație, de lungime de undă invers proporțională cu temperatura acestora.

Lungimea de undă maximă a radiației emise, în raport cu temperatura corpului este dată de legea lui Wien.

𝑚 ∗ 𝑇 = 2898 (𝑚. 𝐾)

Această radiație este dependentă de coeficientul de emisivitate al corpului. Cu cât coeficientul este mai scăzut (aproape de 0), cu atât mai mică este lungimea de undă a radiației emise de corp.

Valorile emisivității sunt cuprinse în intervalul 0,167.

Figura.

Proprietăți optice material

Efectul de seră. Cea mai mare parte din energia emisă de soare este sub formă de radiație cu lungime de undă în spectrul vizibil. Sticla, sau materialele plastice utilizate la captatoarele plane vitrate sunt transparente în acest domeniu de lungime de undă. În aceste condiții ele lasă să treacă o mare parte din energie. Dar aceste materiale sunt opace la radiațiile ultraviolete (nu ne bronzăm în spatele unui geam) și rețin o mare parte dintre radiațiile infraroșii pe care le emite suprafața absorbantă odată cu încălzirea sa. Căldura degajată de această suprafață rămâne astfel închisă în incinta captatorului. Acest fenomen este cunoscu sub denumirea de efect de seră. Practic, un captator solar trebuie să permită valorificarea/captarea maximului de radiație solară (deci să aibă o transmitanță ridicată), absorbind cea mai mare parte (o absorbanță ridicată) și să emită și/sau să lase să iasă minimum posibil (deci transmitanță redusă în domeniul lungimilor de undă lungi).

67

Valoarea 1 corespunde corpului negru.



III

107

Figura. Efectul de seră

Lungimea de undă a radiației incidente pentru diferite materiale transparente: A)

metacrilat (3mm), B) Policarbonat (3mm), C) sticlă (3mm)

Bilanțul termic al captatorului.

Puterea utilă este cea care conduce la încălzirea fluidului caloportor de la temperatura de intrare Ti, la temperatura de ieșire Tie:

𝑬𝒖 = 𝒎 ∗ 𝑪p* (𝑻ie- 𝑻i)

Puterea utilă, care poate fi preluată de un panou solar depinde de mai mulţi parametri, şi anume de

parametrii externi: -E: radiația solară incident pe planul captatorului (W / m²) a-Tm: temperatura medie a captatorului (aproximată cu valoarea medie a temperaturilor de intrare şi ieşire captator) (° C). a-text: temperatura exterioară (° C) şi

parametrii de definire ai captatorului:

-Factor optic al captatorului=raportul dintre radiația solară absorbită de suprafața absorbantă și radiația solară incidentă. Acest factor optic este produsul dintre



III

108

factorul de transmisie al suprafeței vitrate și coeficientul de absorbție al suprafeței

absorbante . Practic este un randament optic.

= τ · α

K: coeficientul global al pierderilor de căldură (W / ° C) Soldul căldură în senzor de starea de echilibru, care exprimă E al consumului de energie este distribuită între puterea Eu utilă şi pierderilor de căldură:

Bilanțul termic în regim al captatorului solar, în regim staționar exprimă faptul că puterea

absorbită E este egală cu suma puterii utile Eu și a pierderilor termice.

𝑬 = 𝑲 𝑻𝒎 − 𝑻𝒆𝒙𝒕 + 𝒎 ∗ 𝑪𝑷(𝑻𝒊𝒆 − 𝑻𝒊)

Eu este deci egală cu partea din radiația solară incidentă care traversează vitrajul și este absorbită

de suprafața absorbantă, diminuată cu pierderile termice (proporționale cu ecartul de temperatură

captator-mediu):

𝑬𝒖 = 𝑬− 𝑲 𝑻𝒎 − 𝑻𝒆𝒙𝒕

Randamentul captatorului se definește ca fiind raportul între puterea utilă 𝑬𝒖 și puterea incidentă E:

= − 𝑲 𝑻𝒎 − 𝑻𝒆𝒙𝒕

𝑬

𝒎 ∗ 𝑪𝑷(𝑻𝒊𝒆 − 𝑻𝒊)

Figura.

Curbe de randament Norma europeană (EN 12975-2) introduce un al doilea coeficient al pierderilor termice a2, care ia în considerare pierderile neliniare (prin radiație). În acest caz curba de randament se exprimă cu relația:

= 𝟎−

𝒂𝟏 𝑻𝒎 − 𝑻𝒆𝒙𝒕

𝑬−

𝒂𝟐 𝑻𝒎 − 𝑻𝒆𝒙𝒕 𝟐

𝑬

𝑢𝑛𝑑𝑒,0− 𝑒𝑠𝑡𝑒 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟𝑢𝑙 𝑜𝑝𝑡𝑖𝑐 𝑎𝑙 𝑐𝑎𝑝𝑡𝑎𝑡𝑜𝑟𝑢𝑙𝑢𝑖

a1,a2-coeficienții pierderilor termice (W/m².K et W/m².K²)



III

109

Figura.

Curbele de randament ale captatorilor solari arată că, pentru o însorire constantă, performanțele

captatorului scad dacă se impune ca, captatorul să funcționeze la o temperatură mult diferită de

temperatura exterioară. Acest lucru se datorează pierderilor de căldură care cresc cu temperatura

(linear pentru cele datorate fenomenului de convecție si conducție și cu puterea a 4 pentru

pierderile prin radiaţie). În consecință, un prim criteriu de alegere a captatoarelor impune ca

acestea să aibă domeniul de lucru cât mai aproape de temperatura dorită. Astfel, un captator cu

tuburi termice poate avea un randament cu 30% mai bun decât unul simplu, cu condiția ca acestea

să încălzească apa la 900C, dar poate avea un randament mai mic decât cel al unui captator

mochetă dacă se dorește preîncălzirea apei dintr-o piscină, cu două grade mai mult decât

temperatura ambiantă.

1.3. Sisteme de producere a energiei termice prin valorificarea

energiei solare

A. Sisteme/Instalaţii solare de preparare a apei calde de consum.

Prepararea apei calde de consum cu ajutorul energiei solare este una dintre soluțiile agreate

pentru deservirea caselor pasive datorită faptului că energia solară este o energie regenerativă,

curată, nepoluantă, a cărei utilizare nu generează emisii de gaze cu efect de seră.

De la primele încercări şi până în prezent, soluţiile de alcătuire, respectiv schemele funcţional -

constructive au evoluat foarte mult şi sunt încă într-o continuă evoluţie.

Producătorii de echipamente, stimulaţi de noile standarde referitoare la clădirile cu consum

redus de energie sau chiar cele cu energie pozitivă, au dezvoltat o gamă variată de produse

destinate preparării apei calde.

Acestea pot deservi:

• clădiri de locuit individuale sau colective; • clădiri de cazare; • clădiri social-culturale;



III

110

• piscine...

Schemele funcţional - constructive se alcătuiesc astfel încât să răspundă în mod optim la o

serie întreagă de criterii, particularităţi şi exigenţe ale utilizatorilor, clădirilor deservite,

amplasamentului. Dintre acestea o importanţă deosebită o prezintă: necesarul de apă caldă,

caracteristicile amplasamentului, caracteristicile climei de calcul, soluţiile de alimentare cu energie

termică ale clădirilor deservite, echipamentele şi sistemele de control şi reglaj disponibile, resursele

financiare.

În principiu, schema unei instalaţii solare de preparare a apei calde de consum are următoarea

structură figura 1:

sub-ansamblul de captare: captatorul solar sau circuitul solar, alcătuit din captatorul solar, reţeaua de agent primar, vanele asociate, şi respectiv echipamentele de asigurare a unei bune circulaţii a agentului primar

sub-ansamblul de transfer: schimbătorul de căldură de tip regenerativ sau cu acumulare

sub-ansamblul de stocaj: rezervorul de acumulare şi sau boilerul

sub-ansamblul de adaos: centrală termică, rezistenţă electrică, agent termic preparat în altă sursă

sub-ansamblul de distribuţie: reţeaua de distribuţie

Fig. .

Unele dintre componentele/sub-ansamblurile enunţate anterior pot lipsi (sub-ansamblul de

transfer şi/sau sub-ansamblul de stocaj, sub-ansamblul de adaos) în timp ce altele nu pot lipsi (sub-

ansamblul de captare, sub-ansamblul de distribuţie).

Clasificarea schemelor instalaţiilor solare uzuale de preparare apei calde de consum se face

după mai multe criterii, dintre care determinante sunt:

după numărul de circuite se disting:

instalaţii solare cu un singur circuit, sau circuit direct (fig. )

instalaţii solare cu două sau mai multe circuite(fig. ) după modul de circulaţie a apei se disting:

instalaţii solare cu circulaţie gravitaţională (fig. ),

instalaţii solare cu circulaţie forţată a agenţilor termici (fig. , ) după proporţia de asigurare cu apă caldă de consum a consumatorilor distingem:

instalaţii solare cu asigurare totală, din resurse solare

instalaţii solare cu asigurare parţială din sursele solare şi sursă de adaos (fig.) după modul de preparare se disting:

instalaţii solare cu preparare instantanee

instalaţii solare cu semi-acumulare sau acumulare

Reglaj

Sub-ansamblu de

distribuţie

Sub-ansamblu de

captare

Sub-ansamblu de

transfer

Sub-ansamblu de

stocaj



III

111

după numărul de consumatorii deserviţi:

instalaţii solare individuale

instalaţii solare colective după funcţiunile realizate:

instalaţii solare de preparare a apei calde de consum

instalaţii solare de preparare a apei calde de consum şi de preparare a agentului de încălzire

instalaţii solare de preparare apă caldă de consum, agent încălzire, agent răcire

Având în vedere particularitățile funcționale ale captatorilor solari termici, şi anume faptul că

performanţa acestora este maximă dacă funcţionează la o temperatură scăzută, principiul de bază

al unei integrări eficiente a acestora în sisteme de valorificare a energiei solare, respectiv utilizare

este de a transfera energia valorificată la un circuit utilizator. Pentru aceasta, este de dorit să se

evite integrarea schimbătoarelor de căldură între captator și utilizare (un schimbător necesită

existența unei diferenţe de temperatură, primar secundar, respectiv tur/retur circuit primar, ceea ce

impune ca funcționarea captatorului să se facă la o temperatură mai mare). Dacă acest lucru nu

este posibil se impune ca schimbătorul de căldură să fie dimensionat astfel încât ecartul de

temperatură de lucru să fie cât mai mic, ceea ce conduce la suprafețe de schimb mari.

Intermitenta resurselor solare, respectiv a radiației solare, precum şi defazajul între acest tip de

resursă și necesități, impune, în mod aproape indispensabil, un volum de stocaj. Foarte puține

aplicați, cum fi preîncălzirea apei din piscină sau răcirea solară pot funcționa fără stocaj. Pentru

unele utilizări, sau nevoi speciale, găsirea unui nivel de temperatură suficientă pentru a evita

adaosul ar putea conduce la renunțarea la principiul ”cel mai mic nivel de temperatură” menţionat

anterior dar la adoptarea unor "sisteme cu debit redus" (=cu viteză redusă).

Rezultă deci: exigențe/cerinţe uneori contradictorii, ceea ce face ca o bună concepție a unui

sistem de valorificare termică a energiei solare să rezulte în urma unei soluții de compromis între

diferitele exigențe contradictorii. Exemplu: pentru realizarea unor pierderi de sarcină cât mai mici pe

captator sau a obținerii unui nivel de temperatură suficient poate conduce la debite de agent

primar reduse,în timp ce pentru obținerea unui randament bun este de dorit creșterea debitelor.

A1.Preparatoare solare individuale de apă caldă de consum.

Pentru clădirile de locuit individuale au fost concepute diferite scheme de preparatoare solare

de apă caldă, dependente în principiu de condiţiile climatice ale sitului în care urmează a fi

integrate.

Printre soluţiile cele mai utilizate se pot menţiona:

A1.1.Preparator solar de apă caldă cu circulație naturală. Cu autostocare. Principiul de alcătuire al acestuia este foarte vechi. Practic este alcătuit dintr-un rezervor izolat

termic, cu o suprafaţă interioară absorbantă şi acoperit cu o suprafaţă transparentă (fig. .). Pe

parcursul perioadei de însorire temperatura din rezervor creşte. Pentru a evita diminuarea

temperaturii apei în timpul nopţii suprafaţa absorbantă este de tip selectiv.

O altă versiune a acestor tipuri de preparatoare, sunt cele care în lipsa suprafeţei absorbante

selective sunt dotate cu o suprafaţă transparentă dublă, sau de un dispozitiv de acoperire a



III

112

preparatorului în afara orelor de însorire. Acest din urmă tip este recomandat pentru regiunile unde

nu există pericolul de îngheţ, sau unde temperatura exterioară pe parcursul nopţii este relativ

ridicată (peste zero grade) .

Fig. . Preparator solar de apă caldă cu autostocare

Principiu funcționare Soluție integrare acoperiș șarpantă

Preparator solar de apă caldă cu termosifon. Acest preparator este alcătuit dintr-un captator solar şi dintr-un rezervor de acumulare situat

deasupra acestuia (fig. .). sub efectul radiaţiei solare, apa din captator se încălzeşte şi în

consecinţă îşi diminuează densitatea şi se ridică prin circuitul existent, fiind înlocuită de apa mult

mai rece din rezervor. Poziţia rezervorului trebuie să fie obligatoriu deasupra captatorului.

Sistemul prezintă trei mari avantaje:

nu posedă pompe şi sisteme de reglaj şi nu necesită racordul la sistemul electric.

Riscul de apariţie a diverse disfuncţionalităţi este mult redus Principalele inconveniente ale acestui sistem sunt:

Poziţia rezervorului în raport cu captatorul limitează mult posibilităţile de instalare ale acestui tip de sistem

Prezintă risc de îngheţ, care poate fi diminuat, dar nu eliminat, prin utilizarea unui schimbător de căldură

Performanţele sistemului sunt dependente de caracteristicile captatoarelor, ale locului şi de

condiţiile de instalare .

Modelarea matematică a unui sistem solar de preparare a apei în termosifon este destul de

complexă, motiv pentru care, în practică s-au realizat diferite studii care să permită caracterizarea

unui astfel de sistem.

Se disting două tipuri: monobloc şi cu elemente separate.



III

113

Preparator solar de apă caldă cu termosifon tip monobloc.

a)Principiu funcțional b)Vedere generală c)Secțiune

d)Ansamblu e)Soluție integrare acoperiș

șarpantă f)Preparator a.c.c. solar-energie electrică

Preparator solar monobloc de apă caldă cu termosifon monobloc Este cel mai utilizat tip deoarece prezintă facilităţi deosebite de montaj. Rezervorul este

alipit captatorului şi dispus orizontal. Suprafaţa captatoarelor poate varia între 2 şi 6 m2 iar volum

rezervorului între 100 şi 600 l. Pentru implementarea preparatoarele de capacitate mai mare este

necesară verificarea structurii de rezistenţă.

Preparator solar de apă caldă cu termosifon cu elemente separate. În acest caz captatorul nu mai este alipit de rezervor, cele două elemente fiind disociate,

permiţând o mai bună integrare arhitectonică a componentelor, captatorul fiind plasat obligatoriu în

exterior, în timp ce rezervorul poate fi amplasat şi în interior (fig. 7.a.). La acest sistem,

acumulatorul trebuie să fie amplasat în mod obligatoriu la o cotă superioară captatorului, iar

funcţionarea este cu atât mai bună cu cât diferenţa este mai mare. De asemenea, reţeaua de

distribuţie trebuie să introducă pierderi de sarcină cât mai mici. Principiul de funcționare constă în

diferența de densitate generată de încălzirea apei la trecerea prin captator, și care generează o

circulație naturală a apei încălzite spre rezervorul de acumulare, amplasat așa cum am precizat,

mai sus decât captatorul. În consecință, acest tip de sistem nu conține piese mecanice în mișcare

(nu necesită pompe de circulație) și nu necesită sisteme de reglaj. În consecință este un sistem

fiabil. Costul de investiție este deci redus în timp ce costul de exploatare este nul. Punerea în

circulație a sistemului se realizează în momentul în care între captator și rezervor este o diferență

de temperatură de 15°C, ceea ce face ca performanțele sistemului să fie reduse iarna. Practic,

termosifonul este utilizat pentru instalații de mică capacitate/dimensiune (suprafețe captare de

ordinul m²).



III

114

Figura.

A1.2.Preparator solar de apă caldă cu circulaţie forţată. La acest tip de preparator circulaţia agentului solar se realizează cu ajutorul unei pompe. În

această situaţie, poziţia relativă a rezervorului faţă de captator nu mai este obligatorie.

Schema de alcătuire poate fi realizată în mai multe moduri, rezultând în acest caz mai multe

tipuri distincte şi anume:

Funcție de numărul de circuite: – Sistem direct – Sistem cu cel puțin două circuite (solar și a.c.c.) separate prin schimbător de căldură

Funcție de sursa de preparare: – Numai solară – Cu sursă de adaos

Funcție de tipul schimbătorului de acumulare: – Cu schimbător instantaneu – Cu schimbător cu acumulare

Funcție de tipul schimbătorului de acumulare:

Sistem vidanjabil

Sistem autovidanjabil

Sistem direct. Se utilizează în general în regiunile unde nu există risc de îngheţ, sau unde utilizarea este sezonieră (case de vacanță, campinguri, ...).

Din acest motiv, partea exterioară a sistemului trebuie sa poată fi golită în mod obligatoriu. Elementele componente ale unui astfel de sistem de preparare sunt (fig.):

Unul sau mai multe captatoare solare

Un rezervor de stocaj

Un sistem de alimentare a rezervorului prevăzut cu vană de închidere sau grup de securitate şi după caz o clapetă antiretur, o supapă de detentă, un filtru.

Un ansamblu hidraulic alcătuit din pompa de circulaţie, conducte de circulaţie, clapetă antiretur şi vane de izolare.

Un regulator diferenţial de temperatură, prevăzut cu sondele asociate.



III

115

Principiul funcţional. Pornirea și oprirea sistemului se realizează automat, în raport cu ecartul de

temperatură dintre fluidul încălzit în captator și cel de la baza acumulatorului: când sondele de

temperatură, situate în captator înregistrează o temperatură superioară celei din rezervorul de

stocaj, regulatorul comandă pornirea pompei. Când temperatura în captator este egală cu cea din

rezervorul de stocare se comandă întreruperea circulaţiei. Ciclul se repetă în această manieră.

Pentru evitarea supraîncălzirii apei din rezervorul de acumulare, acesta poate fi echipat cu un

sistem de securitate care să întrerupă funcţionarea pompei în momentul în care temperatura apei

din rezervorul de stocaj a depăşit o anumită valoare critică, valoarea prescrisă.

Sistem cu schimbător. Este tipul de preparator solar de apă caldă cu elemente separate care se utilizează cel mai mult în Europa. Partea exterioară a instalaţiei este protejată împotriva gerului, prin utilizarea unui fluid caloporteur special (fig.9).

Elemente constitutive.

În schema de alcătuire a unui astfel de preparator intră în principiu componentele preparatorului

descris anterior la care se mai adaugă (fig.):

Un boiler (schimbător de căldură în interiorul rezervorului de stocaj)

Un sistem circuit primar captator schimbător de căldură

Un vas de expansiune

O supapa de securitate pentru evitarea creşterii presiunii peste valoarea prescrisă. Un ansamblu hidraulic alcătuit din pompa de circulaţie, conducte de circulaţie, clapetă antiretur şi vane de izolare.

Fluidul caloportor trebuie agreat de Ministerul sănătăţii. Se utilizează în general mono-propilen-glicol.

Principiul funcţional: este similar cu cel al preparatorului fără schimbător.

Figura.

Sistem vidanjabil. Se utilizează în special în ţările în care nu se permite utilizarea antigelului. Sistemul permite golirea părţii exterioare a acestuia în momentul în care temperatura din captator scade sub valoarea temperaturii din boiler (fig. ). Dispozitivul necesită realizarea unor condiţii de funcţionare şi anume:

Poziţia captatorului trebuie să fie superioară poziţiei boilerului



III

116

Reţeaua exterioară nu trebuie sa prezinte puncte joase, susceptibile de îngheţ

Principalele inconveniente pentru aceste tipuri de preparatoare sunt:

Necesită pompe de circulaţie cu sarcină hidraulică respectiv putere superioară sistemelor cu capacităţi similare dar cu funcţionare cu antigel.

Prezintă un nivel de zgomot superior sistemelor precedente

Realizarea instalaţiei trebuie făcută cu mare atenţie, pentru a permite golirea.

Avantajele acestui preparator sunt:

Lipsa fluidului antigel reduce costurile de exploatare

Supraîncălzirea captatorului nu afectează calitatea fluidului caloportor, care nu are antigel, ceea ce permite un reglaj economic, de oprire a pompei la atingerea temperaturii maxime în boiler. Sistemul este recomandat la deservirea şcolilor.

Figura. Preparator solar de apă caldă cu circulaţie forţată și boiler

Sisteme cu sursă de adaos. În climatul temperat şi pentru utilităţile cu funcţionare continuă

este absolut necesară prezenţa sursei de adaos. Aceasta poate fi de natură:

electrică;

hidraulică, cu agent termic preparat cu ate surse (centrală termică, pompă de căldură, ...) Sursa de adaosul de energie poate debita direct în boiler, în situaţia boilerelor multienergie sau

poate debita într-un boiler sau acumulator special destinat.

Sisteme cu sursă de adaos integrată în boiler. Sursa de adaos debitează în general în partea superioară a boilerului. Daca sursa este electrică (figura ) şi funcţionează în mod continuu, atunci cele două treimi

inferioare ale boilerului sunt destinate schimbului de căldură dintre agentul solar şi apă, în timp ce partea superioară este destinată schimbului de căldură rezistenţă electrică-apă.

Dacă sursa este electrică şi funcţionarea este aservită perioadelor de tarifare redusă, atunci rezistenţa trebuie amplasată în partea centrală. Dispozitivul de alimentare al rezistenţei electrice trebuie legat la un dispozitiv de aservire tarifară care să permită realizarea a trei moduri funcţionale: funcţionare automată, în perioada cu tarif redus; funcţionare forţată cu recirculare, în perioadele de oprire.

Gabaritul instalaţiilor este în general bine determinat astfel încât să permită deservirea locuinţelor, pe nivele de confort solicitate.



III

117

Figura. Sisteme vidanjabile

Sisteme cu sursă de adaos hidraulică integrată în boiler. Este recomandat pentru clădirile echipate cu centrală termică. În general funcţionarea sursei de adaos este continuă Există de asemenea şi sisteme care prezintă şi surse de adaos electrice şi surse de adaos hidraulice, sisteme care utilizează de fapt sursa hidraulică în timpul perioadei de încălzire iar sursa electrică în afara perioadei de încălzire.

Figura.

a)Preparator solar de apă caldă cu circulaţie forţată și boiler bi-energie (solar+electric)

b)Preparator solar de apă caldă cu circulaţie forţată și boiler bi-energie (solar+hidraulic) și sursă de aport

Sisteme cu sursă de adaos externă. Se recomandă a fi utilizat în special în cazul reabilitărilor când sursa de adaos există şi este în stare bună.

B. Instalații solare de preparare a apei calde de consum pentru clădiri colective. Sunt instalaţii solare de capacitate mai mare decât preparatoarele individuale. În general sunt instalaţii cu sursă de adaos. Pot fi concepute de manieră centralizată sau descentralizată atât pe partea de solar cât şi pe partea de adaos. La conceperea acestor sisteme, este foarte importantă cunoaşterea cât mai exactă a debitelor

de apă caldă precum şi a graficului de consum. Schemele principiale de alcătuire ale acestor categorii de instalaţii și principalele caracteristici sunt prezentate în figura :

Fig. Sisteme de preparare solară a apei calde de consum pentru clădirile colective



III

118

Se recomandă: pentru producerea apei calde de consum la blocurilor de locuinţe

Este cea mai bună soluţie pentru debite mari, şi permite o întreţinere uşoară.

Elemente componente:

un schimbător de căldură extern rezervorului solar.

un rezervor pentru agentul solar şi un rezervor colectiv specific debitelor preluate din sursa de aport

Sursa de aport (electric, hidraulic sau ambele tipuri).

Robinetul de amestec se găseşte la ieşirea din rezervorul de vârf,

Menţinerea temperaturii apei calde distribuite se asigură cu ajutorul sursei de aport.

Pompa de circulaţie de pe circuitul secundar este aservită circuitului primar. Schema cu schimbător de căldură primar extern, şi aport de energie termică preparată centralizat, separat

Se recomandă:la instalaţiile colective de preparare a apei calde de consum de mică capacitate (<20 m²) şi în cazul instalaţiilor de preparare a apei calde de consum aferente locuinţelor individuale în cazul unui nivel de confort sporit.

Are: – Un schimbător de căldură extern rezervorului solar. – Un rezervor unic pentru agentul solar şi pentru debitele preluate din sursa de aport – Sursa de aport poate fi de tip electric sau hidraulic. – Robinetul de amestec la ieşirea din rezervorul de vârf, – Menţinerea temperaturii apei calde distribuite se asigură cu ajutorul sursei de aport. – Pompa de circulaţie de pe circuitul secundar este aservită circuitului primar.

Pentru lungimi ale traseului de distribuţie mai mici de 6 m, poate fi transformată în schemă cu distribuţie directă,

fără recirculare (debitul pompei de pe bucla de recirculare este 0).

Schema cu schimbător de căldură primar extern, şi aport de energie termică preparată centralizat, integrat

Permite evitarea schimbătorului de căldură extern

Are: – Un schimbător de căldură intern rezervorului solar. Este cea mai bună soluţie pentru debite mari, şi permite o

întreţinere uşoară – Un rezervor specific pentru agentul solar şi unul pentru debitele preluate din sursa de aport – Sursa de aport poate fi de tip electric, hidraulic sau ambele tipuri. – Robinetul de amestec se găseşte la ieşirea din rezervorul de vârf, – Menţinerea temperaturii apei calde distribuite se asigură cu ajutorul sursei de aport.

Schema cu schimbător de căldură primar intern, şi aport de energie termică preparată centralizat, separat

Se recomandă în zonele calde

Nu există schimbător de căldură intern rezervorului solar.

Are: – Un rezervor specific pentru agentul solar şi unul pentru debitele preluate din sursa de aport – Sursa de aport (electric, hidraulic sau ambele tipuri). – Robinet de amestec la ieşirea din rezervorul de vârf,


Pentru lungimi ale traseului de distribuţie mai mici de 6 m, poate fi transformată în schemă cu distribuţie

directă, fără recirculare (debitul pompei de pe bucla de recirculare este 0).

Schema cu schimbător primar intern şi sursă de adaos cu prepare independentă centralizată.

Sursa de vârf funcţionează în mod instantaneu: nu este nevoie de rezervor de stocaj ci numai de rezervor solar.

Are: – Un schimbător de căldură extern rezervorului solar. – Un rezervor pentru agentul solar – Sursa de aport poate fi de tip electric sau hidraulic. – Robinetul de amestec se găseşte la ieşirea din rezervorul de vârf,




Schema fără schimbător de căldura primar, cu acumulator şi sursă de adaos cu prepare independentă, instantanee.

Este o varianta a configurației a) cu deosebirea că are o pompă de circulaţie suplimentara care permite descărcarea din rezervorul solar in cel de vârf. Aceasta este pusa in funcţiune când temperatura din partea superioara a rezervorului solar este mai mare decât cea din partea inferioara a rezervorului de vârf, deci când nu este consum de apa.

Schema permite utilizarea eficienta a captatorilor solari, cu returul la o temperatura mai mica.

Are: – Un schimbător de căldură extern rezervorului solar. – Un rezervor pentru agentul solar si unul pentru sursa de aport. – Sursa de aport (electric, hidraulic sau mixt). – Robinet de amestec la ieşirea din rezervorul de vârf,




Instalație cu descărcarea stocului solar



III

119

B. Sisteme solare de cogenerare apă calda de consum-energie termică încălzire.

Sistemele de încălzire solară pentru case au făcut obiectul a o serie de cercetări în vederea identificării schemelor structurale ale sistemelor care să permită obținerea unor performanțe ridicate.

Sistemele solare de încălzire sunt în general rare și practic vizează încălzirea cu planșee încălzitoare (figura..).

În general prepararea solară a agentului de încălzire este cuplată și cu prepararea apei calde de consum. Aceste sisteme sunt cunoscute sub denumirea de sisteme solare combinate (de producere agent încălzire și apă caldă).

La concepția sistemelor trebuie avut în vedere următoarele aspecte:

Găsirea unor soluții care să permită captatorului să funcționeze la nivelul de temperatură cel mai scăzut;

Utilizarea emițătorilor termici de joasă temperatură (planșeu/perete încălzitor);

Conceperea de scheme hidraulice care să favorizeze întoarcerea unui agent cât mai rece spre captator;

Evitarea amestecului agentului preparat solar cu cel din sursa de adaos. La dimensionarea acestora trebuiesc respectate următoarele principii:

Limitarea necesarului de energie ;

Diminuarea ecartului între necesarul de iarnă și cel de vară;

Căutarea celei mai bune orientări și înclinări, în raport cu particularitățile clădirii și climatul locului. Se disting trei mari categorii de concepere a sistemelor combinate de producere a apei calde de

consum și încălzirii solare:

Sisteme care utilizează un rezervor de stocaj cu apă (cele mai răspândite);

Sisteme care utilizează ca element de stocaj un planșeu/perete, cu grosimea relativ mai mare decât a planșeelor clasice;

Sisteme care utilizează ca agent termic aerul cald iar stocajul energiei poate fi realizat în diverse soluții (s-au utilizat în general soluțiile cu stocaj într-un rezervor îngropat umplut cu pietre sau blocuri de beton, printre care circulă aerul).

Figura. Sisteme solare de încălzire

a) cu stocaj în planșeu încălzitor b) cu stocaj în apă și planșeu încălzitor

Pentru casele pasive, prima soluție nu este potrivită, deoarece acestea nu necesită o sarcină

termică ridicată, singurele posibile fiind ultimele două, penultimele două soluții pot fi utilizate. Pentru

asigurarea unui nivel de siguranță în exploatare sistemele se cuplează în general cu o sursă de

adaos (convector electric, cazan, sobă cu lemne), care poate fi racordată în serie sau în paralel cu

sursa solară sau poate fi integrat direct în stocaj.



III

120

Figura. Soluții de integrare a sursei de adaos în schema de încălzire

a)serie b)paralel c)integrată direct în stocaj Pentru producerea apei calde de consum se pot utiliza diferite soluții (figura).

Figura. Scheme de principiu pentru sistemele combinate de preparare a apei calde de consum și agentului de încălzire.

a)Direct în rezervor/boilerul solar, care joacă rolul de tampon termic pentru încălzire

b)Prin acumulare într-un rezervor dedicat, exterior, care poate fi racordat la stocajul

principal și la sursa de adaos în diferite moduri.

c)Printr-un rezervor imersat în boilerul principal. d)Instantaneu, printr-un schimbător imersat în

boilerul principal.

e) cu un schimbător cu plăci alimentat pe primar din boilerul principal.

Schemele d și e sunt agreate deoarece evită apariția legionelei (volumul de stocaj este redus).

O problemă importantă care trebuie avută în vedere la rezervorul de stocaj al apei calde de

consum este legată de necesitatea controlului foarte atent al stratificării apei, de maniera în care în



III

121

partea superioară, de unde se extrage apa caldă, aceasta să se păstreze la o temperatură

adecvată, iar la partea inferioară, de unde pleacă circuitul spre captatorul solar, temperatura să fie

cât mai scăzută, pentru a favoriza funcționarea captatorului la randamente optime.

Acest lucru se realizează în mod uzual:

prin divizarea circuitului primar în două subcircuite, introduse în rezervor la partea inferioară și superioară și deservite în raport cu parametrii apei calde produsă solar, prin intermediul unei vane cu trei căi.

Prin introducerea unor dispozitive de stratificare.

Figura. Soluții de control a stratificării în rezervoarele de stocare

a)Prin introducerea în zona cu parametri termici apropiați b)Prin utilizarea unor dispozitive interne de stratificare

Agenția internațională pentru energie a inventariat cele mai bune soluții în cartea "Solar

Heating Systems for Houses". În cele ce urmează prezentăm câteva dintre schemele selecționate

ca fiind cele mai indicate pentru deservirea clădirilor cu consumuri reduse de energie. În

reprezentarea schematică s-au utilizat simbolurile grafice și codul de culori conform ISO 4067/1.

Figura. Sisteme solare de cogenerare apă calda de consum-energie termică încălzire.

a)Cu schimbător de căldură între circuitul solar și circuitul de încălzire Particularități: lipsă stocaj încălzire

schimbătorul solar pentru încălzire este integrat pe returul circuitului de încălzire.

b)Cu boiler de apă caldă de consum utilizat ca tampon pentru încălzire Particularități:

circuitul de încălzire preia energia din boilerul solar de apă caldă de consum cu un schimbător imersat.

pe circuitul captator-emițător termic sunt înseriate două schimbătoare de căldură



III

122

Figura.-Continuare

c)Cu rezervor de apă caldă de consum utilizat ca tampon pentru încălzire în sistem vidanjabil Particularități: suprafețele de captare și volumele instalate sunt relativ reduse.

transferul căldurii la apa caldă sanitară se realizează prin schimbătorul cu manta care joacă și rolul de rezervor când se golește captatorul

arzător de gaz cu condensare integrat în stocaj.

d)Cu rezervor de stocaj pentru încălzire și schimbător integrat pentru apa caldă sanitară. Particularități: arzător integrat în stocaj.

Recircularea apei calde este opțională

e)Cu rezervor apă caldă sanitară în rezervorul de stocaj încălzire Particularități: Rezervor de apă caldă sanitară are o formă specială, în ”ciupercă”,

pentru a permite preîncălzirea apei calde sanitare cu energie solară în partea inferioară

Pe circuitul primar este inserată o vană cu trei căi care nu trimite fluidul caloportor în schimbătorul rezervorului decât atunci când temperatura sa este suficientă.

f)Rezervor de stocaj pentru încălzire cu schimbător integrat pentru apa caldă sanitară și centrală de aport exterioară Particularități: Include în general, ca sursă de adaos, o centrală termică cu

lemne și rezervorul de stocaj joacă rolul de tampon termic pentru aceasta;

Se poate opri complet sursa de adaos vara, prin integrarea unui electric în rezervorul de stocaj;

În cazul în care se utilizează ca sursă de adaos centralele modulate cu gaz sau combustibil lichid (partea punctată din schemă) acestea servesc numai pentru încălzirea apei din partea superioară a rezervorului;

Un schimbător opțional permite preîncălzirea apei calde sanitare, în partea de jos a rezervorului.



III

123

g)Cu două rezervoare de stocaj-serie Particularități: Include în general, ca sursă de adaos, o centrală termică cu lemne

și rezervorul de stocaj joacă rolul de tampon termic pentru aceasta;

Schimbătorul de pe circuitul solar este un schimbător cu plăci, extern;

Rezervorul de apă caldă sanitară este încălzit plecând de la rezervorul principal (de unde și calificarea de ”serie”)

h)Cu două rezervoare de stocaj-paralel Particularități: Cele două rezervoare, de încălzire și a.c.c. sunt încălzite de circuitul solar;

Sursa de adaos pentru a.c.c este racordată în partea superioară a rezervorului;

Emițători de căldură sunt alimentați fie de la rezervorul solar, fie de la cel de adaos.

i)Cu două dispozitive de stratificare în rezervorul de stocaj al agentului de încălzire și schimbător extern pentru producerea de a.c.c. Particularități: arzător de gaz cu condensare integrat în stocaj.

arzător integrat în stocaj.

Apa caldă de consum este produsă instantaneu, într-un schimbător cu plăci: debitul pompei de pe circuitul primar este reglat pentru a menține temperatura de plecare a apei calde, oricare ar fi debitul sustras; limitatoarele termostatice de temperatură sunt inutile, deoarece toate pompele sunt cu debit/turație variabil/ă;

Sistemul de control asociat asigură funcționarea optimă automatizat;

j)Cu rezervor la presiune atmosferică cu trei schimbătoare Particularități: Rezervorul (din material plastic) este umplut cu apă ”moartă”/stagnantă,

care nu este vehiculată prin nici-un circuit.

Pe circuitul primar solar este prevăzut sistem de restratificare;

Apa caldă de consum este produsă instantaneu, într-un schimbător instantaneu integrat. Geometria particulară a acestuia permite preîncălzirea apei calde.



III

124

k)Producerea de căldură centralizată cu sarcinile repartizate pe mai multe apartamente și stocaj stratificat. Particularități: Sistemul este un exemplu de încălzire solară de joasă

temperatură;

Este asigurată stratificarea pentru sarcina solară și descărcarea agentului de încălzire;

Rețeaua de distribuție alimentează fiecare apartament care are planșeu solar și un rezervor de a.c.c individual;

Rezervorul se încălzește odată pe zi de la rețeaua de distribuție a cărei temperatură este ridicată, în mod controlat, cu ajutorul unui schimbător cu plăci;

În afara plajei orare de preparare a apei calde de consum, temperatura de distribuție este menținută la un nivel inferior, compatibil cu valoarea necesară în rețeaua de încălzire, ceea ce permite reducerea pierderilor termice.

C. Planșeu solar direct.

Tehnica planşeului solar direct (PSD) constituie in prezent una dintre cele mai interesante

aplicaţii ale energiei solare pentru încălzirea locuinţelor unifamiliale. A fost inventată la începutul

anilor 1980 de către Școala superioară de ingineri din Marsilia și trebuia să asigure încălzirea în

case, care prezentau pierderi termice mari (erau slab termoizolate), necesitând în consecință atât

suprafețe de captare importante, cât și volume de stocaj mari.

Planşeul solar direct este elementul de planşeu care asigură simultan funcţiunile de stocaj de

energie şi de distribuţie de energie, spre deosebire de instalaţiile de încălzire solare tradiţionale în

care fluidul caloportor primar este încălzit în cadrul captatorului solar, apoi este utilizat pentru

încălzirea agentului secundar în cadrul unui boiler, care are rol şi de acumulator de energie, după

care este introdus într-un circuit clasic de încălzire cu apă caldă de consum.

Sistemul a fost dezvoltat în diverse soluţii, mai mult sau mai puţin performante. Unele soluţii

permit cogenerarea de energie termică pentru procesul de încălzire, precum şi apă caldă de

consum, cu ajutorul captatorilor integraţi direct în acoperiş.

Principiul de funcționare este relativ simplu: un fluid caloportor este încălzit într-un captator

solar, după care este trecut printr-o rețea de conducte amplasată direct în planșeu, unde se răcește

și este din nou introdus în panourile solare, după care circuitul se reia. La soluțiile cu cogenerare

energie termică-apă caldă de consum, agentul încălzit în captator este trimis parțial spre planșeul

încălzitor și parțial spre un boiler în care se prepară apa caldă de consum. Există soluţii echipate cu

sisteme de control-reglaj care permit optimizarea procesului de producere agent încălzire-apă

caldă de consum. Având în vedere variațiile parametrilor climatici (intensitate solară, temperatură

aer, viteză vânt, nebulozitate…) sistemul este asociat în general și cu o sursă de adaos, care poate

fi independentă sau cuplată cu sistemul. La primele soluții, sursa de aport de energie termică

pentru încălzire era complet decuplată de planșeul solar. Planșeul încălzitor joacă de fapt un dublul

rol: este, în același timp, atât emițător de căldură cât și stocator de căldură. Funcția de stocaj este

cu atât mai accentuată cu cât grosimea planșeului este mai mare. În plus, pentru asigurarea unei

distribuții uniforme în timp a energiei este de dorit de asemenea realizarea unei grosimi mai mari a

planșeului.



III

125

Figura.

Firma franceză CLIPSOL a dezvoltat un sistem de planșeu solar direct combinat cu sursă de adaos, care a trecut cu succes proba timpului.

Sistemul prezintă, în comparaţie cu sistemul clasic, o seama de avantaje, printre care merită menţionate, costul de investiţie mult mai redus precum şi spaţiu ocupat redus.

Figura.

Schemă de principiu Ansamblu echipamente. Printre avantajele majore ale sistemului PSD indicăm și faptul că sistemul poate fi

conceput astfel încât să se obțină un defazaj optim între momentul în care radiația solară încălzește apa și cel în care apa cedează energie planșeului, adică, să poată asigura parametrii termici maximi la nivelul planșeului în momentul în care temperatura aerului exterior este scăzută. În figura se prezintă curba defazajului diurn generată prin activarea planșeului.



III

126

Figura.

Schemele propuse pentru planșeele solare directe, în ordinea cronologică de dezvoltare a

acestora sunt prezentate în figura.

De remarcat faptul că soluțiile au evoluat, de la prima soluție propusă (figura a) care nu avea

prea multe posibilități de reglare, prin introducerea treptată a elementelor de acționare convenabilă

și respectiv de reglare, ajungându-se ca în prezent aceste sisteme să aibă asociat un sistem de

control optimal al funcționării.

Pentru creşterea performanţelor de exploatare, sistemele planşeu termic solar direct, ca de altfel

majoritatea sistemelor care exploatează resursele solare, sunt concepute cu ajutorul softurilor

specializate, care permit dimensionarea optimală, în raport cu caracteristicile de climă, necesarul

solicitat şi particularităţile anvelopei deservite.

Figura. Scheme planșeu solar direct

a)Primul PSD

Schema permitea prepararea agentului solar de încălzire

pentru planșeul încălzitor și preîncălzirea apei calde de

consum, în limita disponibilului de energie solară (de exemplu

vara).

b) PSD cu două pompe și vană manuală pe fiecare

circuit. Schema a) a fost ameliorată prin introducerea, pe

fiecare circuit, a unor vane manuale de comutație și pompe de

circulație, pilotate de un regulator diferențial de temperatură,

ceea ce conduce la o repartizare optimală a agentului solar

între cele două circuite și respectiv la funcționarea optimală a

captatorului solar.



III

127

Prima soluție cu sursă de adaos, dezvoltată la începutul anilor

1980, consta în utilizarea agentului solar pentru încălzirea

planșeului inferior și a celui preparat cu sursa de aport pentru

încălzirea planșeului superior, și apoi interconectarea celor

două circuite și asocierea cu un controler care să permită

funcționarea schemei în 7 moduri distincte:

numai încălzire solară

1. Numai încălzire din sursa de adaos ; 2. Numai a.c.c. preparată solar 3. Numai a.c.c. preparată cu sursa de adaos 4. a.c.c. solar și încălzire din sursă adaos 5. a.c.c. din sursă adaos și încălzire solară

6. a.c.c. solar vara

c)PSD cuplat cu sursă de aport

d)PSD cuplat cu sursă de aport și boiler unic preparare a.c.c.

Schema reprezintă un bun compromis performanțe-cost,

datorită utilizării unui singur boiler pentru prepararea apei

calde de consum, de tip bi-energie (solar/hidraulic)

e)PSD cuplat cu sursa adaos și instalație preparare

a.c.c.

Este cea mai performantă schemă dezvoltată.

Se caracterizează printr-un rezervor de stocaj cu

antigel și prepararea apei calde de consum

instantaneu, cu ajutorul unui schimbător cu plăci.



III

128

1.4. Necesarul de apă caldă menajeră

1.4.1.Temperatura sursei de apă caldă menajeră

Caracteristicile necesarului pentru diferite clădiri.



III

129



III

130



III

131

1.5.Transferul și stocarea energiei.

1.5.1.Stocarea energiei

1.5.2.Schimbătoare de căldură



III

132

1.6.Comenzile circuitului primar



III

133



III

134

Principiile de comanda diferențială



III

135



III

136

1.7. Surse auxiliare



III

137

Trei tipuri de încălzire auxiliară sunt luate în considerare, în funcţie de natura cererii şi a configuraţiei clădirii:

Instalaţiile cu încălzire auxiliară centralizată şi un sistem de distribuţie în circuit de circulaţie, cu o lungime totală a tubulatură între circuit şi fiecare ieşire de cel mult 6 m.

Instalaţiile cu producţie decentralizată şi distribuţie directă sau prin intermediul unui

circuit. Distribuţia este ori directă (distanţa de la rezervorul de stocare la ieşiri este mai mică de 8 m) sau prin intermediul circuitelor de distribuţie pentru un grup de ieşiri (lungimea totală a ţevăriei între circuit şi fiecare ieşire trebuie să fie mai mică de 6 m).

Instalaţiile cu încălzire auxiliară individuală şi distribuţie directă, când ieşirile nu depăşesc 8 m de la rezervorul de stocare, pentru a evita pierderile termice şi risipirea apei reci.

Dacă acest lucru nu este posibil, boilere auxiliare individuale sunt folosite pentru a menţine bucla de circulaţie la o temperatură fixă. În cazul instalaţiilor cu încălzire auxiliară centralizată, circuitul de redistribuţie a apei calde menajere trebuie conceput astfel încât boilerul auxiliar să compenseze pierderile termice. Când dispozitivele auxiliare sunt individuale, un dispozitiv de rezervă trebuie să menţină circuitul menajer la temperatura cerută.

1.8.Metoda de proiectare

Studii preliminare

Estimarea necesarului de apă caldă menajeră



III

138

Radiația solară

Alegerea schemei de principiu a colectorului solar

Adaptarea la condițiile climatice



III

139

Influența zonelor umbrite și a obstacolelor. Masca solară



III

140



III

141



III

142

Integrarea în anvelopa clădirii



III

143

Obstacole

Exemple strapungere acoperis (CSTB)



III

144



III

145

Interconectare colectoare



III

146



III

147

Rețea conducte



III

148

Determinarea volumului de stocare si rezervei



III

149



III

150

De asemenea, o atenție deosebită trebuie asigurată în cazul existenței surselor de adaos. Poziția de racordare trebuie

aleasă în raport cu numărul și caracteristicile acestora, astfel încât stratificarea termică să nu fie deranjată și să se asigure o

valorificare optimă a fiecărei surse.



III

151

Diagramă de principiu. Stocarea apei în două unități separate.



III

152

Exemplu proiectare.

Principiile de dimensionare



III

153



III

154

Estimarea randamentului și energiei furnizate

Estimarea energiei furnizate instantaneu



III

155



III

156

Corelația consum-producție-stocare



III

157



III

158

Instrumente de calcul



III

159

Descriere caracteristici soft SOLO



III

160



III

161



III

162



III

163

Principii de alcătuire a structurii sistemului



III

164

Alegerea componentelor sistemului



III

165



III

166



III

167



III

168



III

169



III

170



III

171



III

172



III

173



III

174



III

175



III

176



III

177



III

178



III

179



III

180



III

181



III

182



III

183



III

184



III

185



III

186



III

187



III

188

SISTEME DE VALORIFICARE A SURSELOR REGENERABILE DE ENERGIE.

CONF. DR. ING. VICTORIA COTOROBAI

III

189

cursenergiineconventionale

Documents

Transcript of cursenergiineconventionale