UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCUREŞTI

Facultatea de inginerie a instalaţiilor

Titularul prezentei teze de doctorat a beneficiat pe întreaga perioadă a studiilor universitare de doctorat de bursă atribuită prin proiectul strategic „Burse oferite doctoranzilor în Ingineria Mediului Construit”, beneficiar UTCB, cod POSDRU/107/1.5/S/76896, proiect derulat în cadrul Programului Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane, finanţat din Fondurile Structurale Europene, din Bugetul Naţional şi cofinanţat de către Univeritatea Tehnică de Construcții București.

TEZA DE DOCTORAT Rezumat

Sistem centralizat de producere, acumulare și de distribuție a apei

calde de consum în clădiri și ansambluri de clădiri utilizând

energia solară

Doctorand Ing. KLEPȘ C. Arthur Sebastian

Conducător de doctorat Prof. univ. dr. ing. Florin IORDACHE

BUCUREŞTI

2013

1

2

CUVINTE CHEIE

Panouri solare plane, panouri solare cu tuburi vidate, sistem solar, instalație solară, randament, grad de acoperire, temperatură exterioară medie anuală, radiație solară globală anuală pe plan orizontal, factor optic captator solar, coeficient global de transfer termic captator solar, suprafață specifică de captare, volum specific de acumulare.

3

CUPRINSUL TEZEI DE DOCTORAT

Cuvânt înainte LISTĂ SIMBOLURI LISTĂ FIGURI LISTĂ TABELE LISTĂ ANEXE Capitolul 1. Introducere

1.1. Importanţa utilizării surselor regenerabile de energie 1.2. Utilizarea energiei solare în Uniunea Europeană şi în România

Capitolul 2. Aspecte privind radiaţia solară 2.1. Radiația solară 2.2. Mărimi folosite în radiometrie 2.3. Componentele radiației solare

Capitolul 3. Aspecte referitoare la utilizarea energiei solare pentru producere apă caldă menajeră în România

3.1. Caracteristici ale climatului în diferite regiuni ale României 3.2. Analiză cantitativă a radiaţiei solare 3.3. Echipamente și sisteme de utilizare a energiei solare în domeniul clădirilor 3.4. Scheme de instalații de prepararea a apei calde utilizând energia solară 3.5. Tipuri de consumatori de apă caldă menajeră

Capitolul 4. Modelarea proceselor de transfer termic caracteristice echipamentelor unui sistem neconventional de preparare a apei calde de consum

4.1. Sistem termic compus din captatoare solare și rezervor de acumulare 4.2. Bilanţuri termice specifice; Modele matematice rezultate 4.3. Rezolvarea numerică operativă a modelelor matematice descrise 4.4. Aparatul matematic utilizat; Descrierea programului de simulare SOLAR

Capitolul 5. Studiu de caz - instalaţia solară de preparare și furnizare a apei calde de consum CT8 Oltenița

5.1. Schema instalaţiei solare de preparare și furnizare a apei calde de consum CT8 Oltenița 5.2. Caracteristicile diferitelor echipamente aferente instalaţiei solare CT8 Olteniţa 5.3. Grafice de consum apă caldă menajeră pentru consumatorii deserviţi de CT8 Olteniţa 5.4. Baza de date climatice corespunzătoare oraşului Olteniţa, anul 2011 5.5. Rezultatele energetice furnizate de CT8 Olteniţa – validarea modelelor teoretice

Capitolul 6. Posibilități de evaluare a performanțelor energetice și de stabilirea a schemelor și dimensiunilor adecvate de instalații solare pentru tipuri de consumatori în vederea eficientizării acestora

6.1. Analiză energetică asupra parametrilor constructivi ai instalaţiilor solare 6.2. Analiză energetică asupra parametrilor funcţionali ai instalaţiilor solare 6.3. Procedura de dimensionare a unei instalaţii solare de preparare apă caldă de consum 6.4. Procedura de evaluare a performanţelor energetice a unei instalaţii solare de preparare apă caldă de consum

Capitolul 7. Contribuții personale, posibilități de valorificare a rezultatelor și concluzii 7.1. Contribuții personale în cadrul cercetării 7.2. Posibilități de valorificare a rezultatelor obținute și direcții de continuare a cercetărilor 7.3. Concluzii

Bibliografie

4

Capitolul 1. Introducere

1.1. Importanţa utilizării surselor regenerabile de energie

Prin schimbul natural dintre atmosferă, biosferă şi oceane pot fi absorbite aproximativ jumatate din emisiile actuale ale omenirii, adică circa 11 miliarde de tone de CO2 (sau 3 miliarde de tone echivalent carbon). Aceasta a condus la o creştere permanentă a concentraţiei de CO2 din atmosferă de la 280 de ppm înainte de dezvoltarea industrială la 390 ppm la sfârşitul anului 2010 şi este în creştere, conform Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC - Grupul interguvernamental de experți în evoluția climei). [1]

Având în vedere aceste date, se impune tot mai mult utilizarea surselor regenerabile de energie în favoarea celor bazate pe combustibili fosili pentru a se reduce substanțial emisiile de CO2 şi de alţi agenţi poluanţi. De asemenea, utilizarea surselor regenerabile de energie măreşte independenţa economică a utilizatorilor care dezvoltă asemenea surse de energie.

1.2. Utilizarea energiei solare în Uniunea Europeană şi în România

Obligaţiile ce revin României, în calitate de stat membru al Uniunii Europene, privind reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră se conformează obiectivelor politice ale Uniunii Europene, asumate la sesiunea de primavară a Consiliului European din 9 martie 2007, ca parte din așa zisul 20/20/20, modificat ulterior prin Directiva 2009/28/CE:

- de creştere, până în anul 2020, cu până la 20% a ponderii energiei din surse regenerabile în totalul consumului energetic (pondere mărită ulterior prin Directiva 2009/28/CE la 24%). [11]

Politica guvernamentală în domeniul resurselor regenerabile, conform cu Planul Naţional de Acţiune în Domeniul Energiei din Surse Regenerabile (PNAER) - 2010 În Planul Naţional de Acţiune în Domeniul Energiei din Surse Regenerabile (PNAER) – 2010 se dau procentele estimate de utilizare a surselor regenerabile de energie din energia consumată pentru încălzire şi răcire, pentru energia electrică, pentru transporturi, precum şi ponderea la energia totală consumată la nivel naţional 2005-2020, care este aceeaşi cu cea asumată, adică 24%. [12]

Capitolul 2. Aspecte privind radiaţia solară

2.1. Radiația solară

Din energia primită de Pământ de la Soare, 29 % este reflectată de către atmosferă şi 6% de către suprafaţa terestră, deci 35% din energia primită de sistemul Pământ - Atmosferă se reîntoarce în spaţiul cosmic. Atmosfera absoarbe un procent de 18% din radiaţia primită de la Soare, iar suprafaţa Pământului 47%.

În urma măsurătorilor de mare precizie s-a stabilit că intensitatea radiaţiei solare în afara atmosferei terestre are valori cuprinse între 1325 şi 1420 W/m2 iar valoarea constantei solare este E0 = 1367 W/m2, reprezentând cantitatea de energie solară care cade pe Pământ pe o suprafaţă unitară, dispusă perpendicular pe razele soarelui la o distanţă astronomică de 149.450.000 km de la centrul Soarelui. [9, 10] Factorii cei mai semnificativi care influenţează radiaţia solară la suprafaţa Pământului sunt:

- latitudine şi altitudine;

5

- sezon, zi, oră;

- cantitatea de praf şi vapori de apă din atmosferă.

2.2. Mărimi folosite în radiometrie

Se prezintă în continuare principalele mărimi radiometrice (WMO, 557, 1981): Energie radiantă (Qe) - Unitatea de măsura este joule (J) , 1J = 1W s.

Flux energetic (e) - Unitatea de măsură este watt, 1 W = 1 J/s. Iluminare energetică (Ee) - Unitatea de măsură este Watt/m2.

Luminanţa energetică (Le) - Unitatea de masură este Watt/steradian şi m2 (W str-1 m-2).

2.3. Componentele radiației solare

În meteorologie, termenul de radiaţie este folosit pentru a defini energia emisă, transportată sau primită de o suprafaţă sub formă de radiaţii electromagnetice.

Clasificarea fluxurilor de radiaţie este făcută dupa criterii privind natura sau originea sa, în conformitate cu recomandările Organizației Meteorologice Mondiale (WMO 557, 1981):

Radiaţia solară directă (S) Radiaţia solară difuză (D)

Radiaţia solară globală (Q) Radiaţia solară reflectată (Rs)

Radiaţia suprafeţei (Es) Radiaţia atmosferei (Ea).

Capitolul 3. Aspecte referitoare la utilizarea energiei solare pentru producere apă caldă menajeră în România

3.1. Caracteristici ale climatului în diferite regiuni ale României

Cu 210 zile însorite pe an, România poate beneficia de o radiaţie solară anuală cuprinsă între 1000 si 1500 kWh/mp, an, cu o medie de 1310 kWh/mp,an, radiaţie pe plan orizontal.

Temperatura medie anuală este de 8.8°C, în timp ce temperatura medie anuală în perioada însorită a zilei este de 9,8°C.

Radiaţia solară pe teritoriul Romaniei atinge valorile maxime în luna iulie, ajungând la o valoare de 6,00 kWh/mp, zi, minimele fiind înregistrate în luna decembrie, ajungând la o valoare de 1,15 kWh/mp, zi, radiaţie pe plan orizontal. Temperatura medie lunară pe teritoriul Romaniei atinge valorile maxime în luna iulie, ajungând la o valoare de 19,7 °C, medie pe toată perioada zilei şi la 20,6 °C, medie pe perioada însorită a zilei. Valorile minime sunt atinse în luna ianuarie, ajungând la o valoare de -2,8 °C, medie pe toată perioada zilei şi la -2,3 °C, medie pe perioada însorită a zilei. În Romania, unghiul optim anual de înclinare pentru panourile solare este de 34°, orientarea optimă fiind spre Sud.

6

Datele de mai sus sunt preluate de la serviciul PVGIS, serviciu creat de Comunitatea Europeană pentru studii ce utilizează date climatice. Pornind de la datele obţinute s-a trecut la combinarea celor două hărţi ale ţării noastre și anume Harta radiaţiei solare anuale pe plan orizontal (sursa: SolarGIS © 2013 GeoModel Solar s.r.o) şi Harta temperaturii exterioare anuale (sursa: SolarGIS © 2013 GeoModel Solar s.r.o.), prin procedee de vectorizare în COREL DRAW, rezultatul fiind Harta climatică a României, reprezentată mai jos:

Fig. 3.4. România - Harta climatică

Zona climatică este o caracteristică importantă a consumatorului. Pentru a împărţi teritoriul ţării noastre în zone climatice s-au studiat două hărţi ale României şi anume: Harta radiaţiei solare anuale pe plan orizontal (sursa: SolarGIS © 2013 GeoModel Solar s.r.o) şi Harta temperaturii exterioare anuale (sursa: SolarGIS © 2013 GeoModel Solar s.r.o.). Aceşti doi parametrii specificaţi mai sus influenţează cantitatea de energie termică captată în procesul de producere apă caldă menajeră utilizând energia solară. S-a împărţit harta României în 12 zone geografice ce au caracteristici climatice diferite şi caracteristici diferite din punct de vedere al celor doi parametrii menţionaţi anterior. Astfel, s-au studiat 12 zone climatice şi anume:

- zona 1: Olteniţa: I = 1400 ..1500 kWh/mp, an; te = 13 °C

- zona 2: Alexandria: I = 1400 ..1500 kWh/mp, an; te = 12 °C - zona 3: Bucureşti: I = 1350 ..1400 kWh/mp, an; te = 12 °C - zona 4: Piteşti: I = 1350 ..1400 kWh/mp, an; te = 11 °C

- zona 5: Timişoara: I = 1300 ..1350 kWh/mp, an; te = 12 °C

7

- zona 6: Vaslui: I = 1300 ..1350 kWh/mp, an; te = 10 °C

- zona 7: Sibiu: I = 1275 ..1325 kWh/mp, an; te = 7,5 °C - zona 8: Braşov: I = 1225 ..1275 kWh/mp, an; te = 7 °C

- zona 9: Iaşi: I = 1250 ..1300 kWh/mp, an; te = 10 °C - zona 10: Cluj: I = 1250 ..1300 kWh/mp, an; te = 8 °C

- zona 11: Suceava: I = 1200 ..1250 kWh/mp, an; te = 8 °C - zona 12: Câmpulung Moldovenesc: I = 1100 ..1150 kWh/mp, an; te = 5 °C

unde I reprezintă radiaţia solară globală anuală pe plan orizontal, iar te reprezintă temperatura exterioară medie anuală.

3.2. Analiză cantitativă a radiaţiei solare în vederea utilizării energiei solare pentru producerea apei calde menajere

Pentru o imagine cât mai clară a cantităţii de radiaţie solară medie pe teritoriul României, incidentă pe suprafaţa colectoare (înclinată la diferite unghiuri), pentru diferite luni ale anului, se prezintă date referitoare la radiaţia solară globală zilnică (pe plan orizontal), radiaţia solară globală zilnică (pe plan înclinat optim), radiaţia solară globală zilnică (pe plan înclinat la unghiuri de 30/45/60°), unghiul optim de înclinare, temperatura medie în perioada însorită a zilei, temperatura medie pe toată durata zilei, date preluate de la serviciul Comunităţii Europene PVGIS.

3.3. Echipamente și sisteme de utilizare a energiei solare în domeniul clădirilor. Tipuri de utilități, soluții tehnice abordate în țară și străinatate, performanţe energetice obţinute

În cadrul acestui subcapitol se prezintă principalele echipamente aferente sistemelor de utilizare a energiei solare în domeniul clădirilor: colectoare solare plane, colectoare solare cu tuburi vidate, rezervoare de acumulare. Sunt prezentate de asemenea principalele sisteme de utilizare a energiei solare în domeniul clădirilor: sisteme pasive directe cu termosifonare, sisteme integrale cu stocare (fără colectoare solare dedicate), sisteme pasive indirecte, sisteme active directe, sisteme acționate fotovoltaic, sisteme active indirecte, sistem solar amplificat, sisteme cu debit scăzut.

3.4. Scheme de instalații de prepararea a apei calde utilizând energia solară, descrierea componentelor și a modului de funcționare

În cadrul acestui subcapitol se prezintă principalele tipuri de sisteme active indirecte de utilizare a energiei solare pentru prepararea apei calde menajere și a încălzirii spațiilor.

3.5. Tipuri de consumatori de apă caldă menajeră

După valoarea diurnă a consumului studiul a fost efectuat pentru: - cazul 1: consum distribuit uniform pe întreaga zi;

- cazul 2: consum distribuit uniform în perioada orelor fără soare. Perioada studiată este de un an.

8

Cazul 1 ia în calcul consumatori normali, precum: clădiri rezidențiale, birouri, clădiri administrative, școli, grădinițe, restaurante, cluburi, unde consumul de apă caldă menajeră este unul relativ uniform pe întreaga zi.

Cazul 2 ia în calcul strict clădirile rezidențiale, unde consumul de apă caldă menajeră se face preponderent în perioada orelor fără soare.

Capitolul 4. Modelarea proceselor de transfer termic caracteristice echipamentelor unui sistem neconventional de preparare a apei calde de consum

4.1. Sistem termic compus din captatoare solare și rezervor de acumulare cu schimbător de căldură înglobat

Se consideră o instalaţie compusă din captatoare solare cuplate cu un schimbător de căldură înglobat într-un rezervor de acumulare, agentul termic (apa) fiind vehiculat prin intermediul unei pompe. Ipoteze de calcul: nu se iau în considerare pierderile de căldură din rezervorul de acumulare sau din conductele de vehiculare a agentului termic.

4.2. Bilanţuri termice specifice funcționării în regim de exploatare a sistemului descris; Modele matematice rezultate

Se descriu modelele matematice de transfer termic staționar și nestaţionar, în regim de acumulare și în regim de furnizare apă caldă de consum a instalaţiei solare de preparare apă caldă menajeră. [5]

4.3. Rezolvarea numerică operativă a modelelor matematice aferente sistemelor de utilizare a energiei solare

Se rezolvă mai multe modele de transfer termic aferente unei instalaţii solare de preparare apă caldă menajeră. [5,6] Prin rezolvarea modelului matematic de transfer termic în regim de furnizare apă caldă de consum (sistem de ecuaţii diferențiale) în regim nestaţionar, după o serie de prelucrări ale relaţiilor de bilanţ termic, se obţin relaţiile de recurenţă ce permit urmărirea dinamicii temperaturii agentului termic la ieșirea din captatorul solar, respectiv a dinamicii temperaturii apei la ieșirea din rezervorul de acumulare şi totodată efectuarea unor analize asupra parametrilor constructivi și funcţionali ai instalaţiei. Relaţiile stabilite permit determinarea puterii termice transferate de câmpul de panouri solare rezervorului de acumulare.

4.4. Aparatul matematic utilizat; Descrierea programului de simulare în MATLAB pentru sistemul captatori – rezervoare acumulare (SOLAR)

Se descrie pe larg programul propriu de simulare SOLAR, scris în limbaj MATLAB, pentru sistemul de captatoare solare – rezervoare de acumulare. Astfel se prezintă introducerea parametrilor sistemului, calcule preliminare, introducerea datelor orare, simularea comportamentului dinamic al sistemului, calculul randamentului şi gradului de acoperire al sistemului, calculul energiei termice simulate furnizată de sistem și a energiei termice necesare pentru producerea apei calde menajere.

9

Capitolul 5. Studiu de caz - instalaţia solară de preparare și furnizare a apei calde de consum CT8 Oltenița

5.1. Schema instalaţiei solare de preparare și furnizare a apei calde de consum CT8 Oltenița

Se prezintă schema funcţională de preparare şi furnizare a apei calde de consum CT8 Olteniţa.

5.2. Caracteristicile diferitelor echipamente aferente instalaţiei solare de preparare a apei calde de consum CT8 Olteniţa

Instalaţia de preparare apă caldă de consum CT 8 Olteniţa este formată dintr-un sistem de 250 colectoare solare cu tuburi vidate cu suprafaţa utilă de colectare de 1,83 m2 fiecare, racordate la patru rezervoare de acumulare de 5 mc fiecare cu schimbătoare de căldură înglobate cu suprafaţă exterioară a serpentinei de 10 m2. Instalaţia alimentează cu apă caldă de consum un număr de 800 locatari, 266 apartamente, respectiv 35 scări de bloc. Se descriu pe rând componentele sistemului.

5.3. Grafice de consum apă caldă menajeră pentru consumatorii deserviţi de centrala termică CT8 Olteniţa

Stabilirea variației orare a consumului de apă caldă menajeră s-a făcut conform valorilor orientative ale coeficienților de variație orară a consumului zilnic de apă pentru centre populate din mediul urban în funcție de debitul mediu din ziua de consum maxim. Debitul maxim de apă caldă menajeră furnizat de centrala termică CT8 Oltenița fiind Qmax = 95 mc/zi, rezultă debitul mediu orar din ziua de consum maxim: Qmed orar = 95 / 24 = 3,958 mc/h.

Astfel s-au utilizat coeficienții de variație corespunzători unui debit mediu orar din ziua de consum maxim de 5 mc/h.

5.4. Baza de date climatice corespunzătoare oraşului Olteniţa, anul 2011

Baza de date climatice corespunzătoare oraşului Olteniţa a fost furnizată de serviciul SoDa, obţinându-se astfel date orare pentru temperatura exterioară (°C) și intensitatea radiației solare (W/mp) atât pe plan orizontal cât și pe plan înclinat la un anumit unghi. Înclinarea medie a panourilor pentru cazul studiat fiind de 30°, rezultă datele orare pentru temperatura exterioară (°C) și intensitatea radiației solare (W/mp). Datele climatice solare orare sunt formate din date înregistrate de stații meteo, date înregistrate prin satelit și date interpolate.

5.5. Rezultatele energetice furnizate de instalaţia solară CT8 Olteniţa – date înregistrate şi date simulate de programul SOLAR, validarea modelelor teoretice

S-a realizat calibrarea programului de simulare, în urma acesteia rezultând următorii coeficienți din cadrul ecuaţiilor diferenţiale ce descriu procesul de transfer termic:

- factorul optic (factorul absorbtivitate – transparenţă), 훼휏 = 0.74 (-);

- coeficientul global de transfer termic captator solar, 푘∑ = 2,5 (W/mp K);

- coeficientul global de transfer serpentină rezervor, k = 200 (W/mp K).

10

S-a realizat o comparaţie între datele înregistrate şi datele simulate de programul SOLAR.

Fig. 5.17. Variaţia energiei termice furnizate în luna iulie – simulată şi reală

Fig. 5.18. Variaţia energiei termice furnizate în luna decembrie – simulată şi reală

Se observă că programul SOLAR simulează satisfăcător funcționarea sistemului de panouri solare – rezervoare de acumulare CT8 Oltenița, energia termică simulată și energia termică reală furnizate de instalația solară fiind foarte apropiate ca valori și ca variație în timp.

S-au calculat şi erorile raportate între valoarea simulată şi valoarea reală a energiei termice furnizate de sistem ( 퐸푅 =

× 100 ) şi acestea au următoarele valori:

- iulie – eroarea medie este de 1,1 %, eroarea maximă este de 4,6 % - decembrie – eroarea medie este de 0,2 %, eroarea maximă este de 1,0 %.

Aceste valori se încadrează în limite normale, putând considera programul SOLAR adecvat simulărilor sistemelor de producere apă caldă menajeră ce utilizează energia solară, ce au în componenţă colectoare plane sau cu tuburi vidate şi rezervoare de acumulare cu serpentină internă.

În urma simulărilor programul furnizează date orare şi zilnice referitoare la energia termică furnizată, temperatura din rezervoarele de acumulare, temperatura din captatoare și date referitoare la indicatorii energetici ai instalaţiei solare de preparare apă caldă menajeră (randament și grad de acoperire).

11

Unele capabilităţi de simulare ale programului sunt redate mai jos.

Fig. 5.19. Variaţia temperaturii apei din rezervoarele de acumulare şi a fluidului solar din captatoare în luna iulie

Fig. 5.20. Variaţia indicatorilor energetici în luna iulie

Capitolul 6. Posibilități de evaluare a performanțelor energetice și de stabilirea a schemelor și dimensiunilor adecvate de instalații solare pentru tipuri de consumatori în vederea eficientizării acestora

6.1. Analiză energetică asupra parametrilor constructivi ai instalaţiilor solare

Se studiază influența principalilor parametri implicați în procesul de transfer termic asupra performanțelor energetice ale unui sistem de preparare apă caldă de consum utilizând energia solară. Se va analiza deci influenţa variaţiei principalilor parametri implicaţi în procesul de preparare a apei calde utilizând energia solară. Studiul a fost realizat pentru două cazuri și anume: cazul 1, în care consumul de apă caldă menajeră este constant pe întreaga durată a zilei și cazul 2, în care consumul de apă caldă menajeră se realizează doar în perioada fără soare, constant.

Analiza rezultatelor s-a făcut pentru fiecare lună în parte. Pentru o imagine de ansamblu s-a trecut la sintetizarea rezultatelor prin împărţirea unui an în două perioade de timp: sezonul rece (considerat între lunile noiembrie şi martie, aşadar 5 luni) şi sezonul cald (considerat

12

între lunile aprilie şi octombrie, aşadar 7 luni). Rezultatele energetice s-au prezentat și anual, un an fiind perioada de timp de obicei utilizată pentru astfel de studii privind sisteme ce utilizeaza energia solară.

Rezultatele energetice urmărite au fost: gradul de acoperire în sezonul rece, gradul de acoperire în sezonul cald, gradul de acoperire anual și randamentul în sezonul rece, randamentul în sezonul cald, randamentul anual. S-au realizat astfel analize ale indicatorilor energetici după unghiul de înclinare al captatoarelor solare faţă de orizontală, după factorul optic al captatoarelor solare, după coeficientul global de transfer termic al captatoarelor solare, după suprafața specifică de captare, după volumul specific de acumulare, după raportul suprafață schimbător / suprafaţă captare, după coeficientul global de transfer termic al schimbătorului, după tipul de colector.

6.2. Analiză energetică asupra parametrilor funcţionali ai instalaţiilor solare

S-au realizat astfel analize ale indicatorilor energetici după temperatura apei calde livrate, după debitul specific de consum pe persoană, după zona climatică, după tipul de consumator.

6.3. Procedura de dimensionare a unei instalaţii solare de preparare apă caldă de consum pentru diferite tipuri de consumatori

Pasul 1: Se alege tipul de consumator după distribuţia preponderentă a consumului zilnic de apă caldă (vezi capitolul 6.2.4):

- cazul 1: consumul de apă caldă menajeră se face pe toată perioada zilei

- cazul 2: consumul de apă caldă menajeră se face în perioada orelor fără soare Pasul 2: Se alege tipul de colectoare solare în funcţie de tipul de consumator (consumator tip cazul 1 sau consumator tip cazul 2) şi de zona climatică (zona climatică 1..12) (vezi capitolul 6.1.8), precum şi în funcţie de diferenţele dintre cele două tipuri de colectoare:

- colectoare plane - colectoare cu tuburi vidate

Pasul 3: În funcţie de gradul de acoperire anual dorit, pentru un anumit tip de consumator, un anumit tip de colectoare şi o anumită zona climatică, se alege suprafaţa specifică de captare, conform nomogramelor din ANEXA 1. Pasul 4: În funcţie de suprafaţa specifică de captare, pentru un anumit tip de consumator, un anumit tip de colectoare şi o anumită zonă climatică, se alege volumul specific de acumulare pe mp de suprafaţă colectoare sau volumul specific de acumulare pe persoană, conform nomogramelor din ANEXA 2. Notă: Nomogramele şi ecuaţiile aferente acestora din ANEXA 1 şi ANEXA 2 au fost obţinute în urma simulărilor efectuate în programul SOLAR, în MATLAB, în care s-a urmărit respectarea condiţiilor de bază pentru dimensionarea raţională a instalaţiei şi anume:

- temperatura apei calde de consum din rezervoarele de acumulare nu trebuie să depășească 100 °C;

- temperatura din colectoarele solare nu trebuie să depășească 170 °C; - gradul de acoperire al instalației nu trebuie să depășească 120 % mai mult de 2 zile

consecutiv.

13

Gradul funcţiilor polinomiale obţinute a rezultat din alegerea unei valori maxime a funcţiei de eroare, calculată tot cu ajutorul programului MATLAB, valoare stabilită la 0.001. Funcţia de eroare este o estimare a deviaţiei standard a erorii în evaluarea unei valori viitoare a funcţiei Y la valoarea X. Se prezintă pentru exemplificare nomogramele pentru date climatice medii pentru România, cazul 1, colectoare plane.

Fig. 6.72. România, Cazul 1 – Colectoare plane - Variația gradului de acoperire anual în funcţie de suprafaţa

specifică de captare

Valoarea funcţiei estimate pentru determinarea gradului de acoperire anual în funcţie de suprafaţa specifică de captare, pentru colectoare plane, cazul 1, este:

푌 = −8.078푋 + 5.642푋 + 50.694푋 + 1.970(6.1)

Fig. 6.77. România, Cazul 1 – Colectoare plane - Variația volumului specific de acumulare pe persoană în

funcţie de suprafaţa specifică de captare

Valoarea funcţiei estimate pentru determinarea volumului specific de acumulare pe persoană în funcţie de suprafața specifică de captare, pentru colectoare plane, cazul 1, este:

푌 = −0.046푋 + 0.101푋 − 0.018푋 + 0.0004(6.6)

14

6.4. Procedura de evaluare a performanţelor energetice a unei instalaţii solare de preparare apă caldă de consum

Pasul 1: Se alege tipul de consumator după distribuţia preponderentă a consumului zilnic de apă caldă (vezi capitolul 6.2.4):

- cazul 1: consumul de apă caldă menajeră se face pe toată perioada zilei

- cazul 2: consumul de apă caldă menajeră se face în perioada orelor fără soare Pasul 2: Se alege tipul de colectoare solare studiate:

- colectoare plane - colectoare cu tuburi vidate

Pasul 3: În funcţie de suprafaţa specifică de captare, pentru un anumit tip de consumator, un anumit tip de colectoare, un anumit volum specific de acumulare şi o anumită zonă climatică, se pot extrage următoarele date referitoare la indicatorii energetici, conform nomogramelor din ANEXA 3:

- randamentul în sezonul rece, în sezonul cald, anual - gradul de acoperire în sezonul rece, în sezonul cald, anual

Se prezintă pentru exemplificare nomograma pentru date climatice medii pentru România, cazul 1, colectoare plane, volum specific de acumulare pe suprafață colectoare - vsa = 0,05.

Fig. 6.88. România, Cazul 1 – Colectoare plane, vsa = 0.05 mc/mp - Variația indicatorilor energetici în funcţie

de suprafaţa specifică de captare

Capitolul 7. Contribuții personale, posibilități de valorificare a rezultatelor și concluzii

7.1. Contribuții personale în cadrul cercetării

Pe parcursul studiilor doctorale autorul, singur sau alături de coautori, a elaborat mai multe articole privind utilizarea energiei solare în clădiri, cum ar fi: ”Energy performance analysis of insulating windows”, ”Aspecte privind utilizarea pasivă a energiei solare în clădiri”, ”Simularea funcționării unui sistem captatori solari – rezervoare acumulare cu

0.00

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

60.00

0.2 0.4 0.6 0.8

Rand

amen

t / G

rad

acop

erire

(%)

Dimensiunea instalatiei (ssc (mp/pers) / va (mc/mp))

România, Cazul 1 - Colectoare plane și rezervoare de acumulare cu serpentină interioară, vsa=0.05 mc/mp - Variația indicatorilor energetici în funcție de suprafața

specifică de captare Randamentul insezonul receRandamentul insezonul caldRandamentul anual

Gradul de acoperirein sezonul receGradul de acoperirein sezonul caldGradul de acoperireanual

15

serpentină interioară”, precum și alte articole ce sunt în curs de publicare. De asemenea, autorul este angrenat în echipa aferentă contractului de cercetare ”Sisteme solar termice eficiente cu acceptanţă ridicată pentru implementarea în mediul urban (EST IN URBA)”. S-a realizat o nouă Hartă climatică a României prin combinarea a două hărţi: Harta radiaţiei solare globale anuale pe plan orizontal şi Harta temperaturii exterioare medii anuale. În procesul de elaborare a Hărţii climatice a României, s-a realizat împărţirea ţării noastre în 12 zone climatice, ce au fost studiate separat în cercetările ulterioare. S-a realizat programul de modelare SOLAR (în MATLAB), pentru instalaţii solare ce au în componenţă colectoare plane sau cu tuburi vidate şi rezervoare de acumulare cu serpentină internă.

S-a realizat validarea programului de modelare SOLAR prin compararea valorilor simulate cu cele reale pentru energia termică furnizată de instalaţia solară de la CT8 Olteniţa.

S-au efectuat analize energetice asupra parametrilor constructivi şi asupra parametrilor funcţionali ai instalaţiilor solare. S-au făcut analize energetice de asemenea şi în funcţie de tipul de consumator (consumator tip cazul 1 / consumator tip cazul 2) şi în funcţie de zona climatică (zona climatică 1..12).

Utilizând programul de modelare SOLAR, s-au formulat cele două proceduri: Procedura de dimensionare a unei instalaţii solare de preparare apă caldă de consum pentru diferite tipuri de consumatori şi Procedura de evaluare a performanţelor energetice a unei instalaţii solare de preparare apă caldă de consum.

7.2. Posibilități de valorificare a rezultatelor obținute și direcții de continuare a cercetărilor

Posibilităţile de valorificare a rezultatelor obţinute în cadrul tezei sunt multiple. Astfel, se pot realiza analize energetice pentru o instalaţie solară existentă, se pot dimensiona optim noi instalaţii solare pornind de la un anumit indicator energetic dorit, se pot extrage informaţii referitoare la un anumit parametru căutat, etc.

Pornind de la rezultatele obţinute în cadrul tezei se poate întocmi o metodologie de proiectare pentru instalaţiile solare de preparare apă caldă de consum.

Se pot studia în detaliu toate zonele climatice rezultate din Harta climatică a României, se pot studia mai multe tipuri de consumatori cu variaţii diferite ale consumului de apă caldă menajeră, se pot studia mai multe tipuri de instalaţii solare de preparare apă caldă de consum, precum şi instalaţii solare cu aport la încălzire, se poate întocmi un aparat matematic şi un program de modelare ce utilizează doar date zilnice, medii lunare, şi furnizează toate datele energetice dorite.

Se pot de asemenea realiza mai multe nomograme şi relaţii de legătură între diferiţi parametri avuţi în vedere.

7.3. Concluzii

Gradul anual de acoperire în varianta de valori optime, pentru tipurile de consumatori studiați în cazul 1 și în cazul 2, pentru cele 12 zone climatice studiate și pentru variantele de colectoare plane și cu tuburi vidate, se încadrează între 44 % (pentru zonele mai avantajate din punct de vedere al radiației solare) și 53 % (pentru zonele mai dezavantajate din punct de vedere al radiației solare, cu suprafețe specifice de captare semnificativ mai mari însă față de

16

zonele mai avantajate din punct de vedere al radiației solare), cu o medie de 49 % pentru România, o valoare maximă realizabilă tehnic, pornind de la premizele menționate și care trebuie să fie avută în vedere ca un maxim realizabil tehnic pentru un sistem de producere apă caldă menajeră utilizând energie solară. Se remarcă că pentru consumatori de tipul celor din cazul 2 suprafațele de captare optime rezultate sunt aproximativ aceleaşi cu cele pentru consumatorii de tipul celor din cazul 1, dar volumele de acumulare optime sunt mult mai mari decât cele pentru consumatori de tipul celor din cazul 1. Acest lucru se datorează consumului de apă caldă menajeră din perioada orelor fără soare, fiind nevoiți să livrăm în perioada orelor fără soare cantitatea de energie acumulată. În cazul consumatorilor de tipul celor din cazul 1 se observă că până la o anumită suprafaţă de captare instalaţia poate funcţiona cu un volum de acumulare foarte mic, considerându-se că energia produsă este şi livrată în totalitate consumatorilor în perioada orelor cu soare.

Varianta colectarelor cu tuburi vidate este mai bună din punct de vedere energetic pentru tipul de consumator studiat în cazul 2, când consumul de apă caldă menajeră se face în perioada orelor fără soare. Pentru tipul de consumator studiat în cazul 1 se pot folosi și colectoarele plane cu rezultate energetice similare celor cu tuburi vidate, mai puţin pentru zona climatică 12 (zona montană), unde sunt recomandate de asemenea colectoarele cu tuburi vidate.

Bibliografie selectivă

1. Badea Adrian - Surse regenerabile de energie. Componentă importantă a dezvoltarii energetice durabile, Masă rotundă “Sursele regenerabile de energie între Directiva Europeana 77 / 2001 şi realitate”, Camera de Comerţ şi Industrie a Romaniei şi a Municipiului Bucureşti, 29 mai 2003

2. Duffie John A., Beckman William A. – Solar Engineering of Thermal Processes, Third Edition – John Wiley & Sons, Inc. 2006

3. Iordache Florin, Clită Iulian, Klepş Arthur Sebastian - Energy performance analysis of insulating windows, Mathematical Modelling in Civil Engineering, Vol. 9, No. 1, 2013

4. Iordache Florin, Klepş Arthur Sebastian - Aspecte privind utilizarea pasivă a energiei solare în clădiri, Revista Romana de Inginerie Civila, Volumul 4, Numărul 2, 2013

5. Iordache Florin - Energetica echipamentelor si sistemelor termice din instalatii, ed. Conspress, 2010 6. Iordache Florin, Baltareţu Florin - Modelarea și simularea proceselor termice dinamice – ed. Conspress

2005 7. Kalogirou Soteris – Solar energy engineering: processes and systems – Elsevier, 2009 8. Klepş Arthur Sebastian - Simularea funcționării unui sistem captatori solari – rezervoare acumulare cu

serpentină interioară, Buletinul ştiinţific al Universităţii Tehnice de Construcţii Bucureşti, Nr. 1, Martie 2013

9. Oprea Cristian – Radiaţia solară. Aspecte teoretice şi practice, ISBN, Bucuresti, 2005 10. ***CoFoTerm - Complementaritatea surselor fotovoltaice şi a captatoarelor termice în arhitectura clădirilor

şi asigurarea utilităţii de energie electrică şi climatizare - CEEX 605/2005 11. ***Directiva 2009/28/CE a Parlamentului European și a Consiliului din 23 aprilie 2009 privind promovarea

utilizării energiei din surse regenerabile, 2009 12. ***Planul Naţional de Acţiune în Domeniul Energiei din Surse Regenerabile (PNAER), Ministerul

Economiei, București, 2010 13. ***Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation. Special Report of the Intergovernmental

Panel on Climate Change, Cambridge University Press, 2012 14. ***T*Sol Pro 5.0 Manual 15. ***http://dcem.valahia.ro/cofoterm/ - 16.06.2013 16. ***http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/index.htm - 16.02.2013 17. ***http://solargis.info/ - 16.02.2013 18. ***http://www.ipcc.ch/ - 20.09.2012 19. ***http://www.soda-is.com/eng/index.html - 16.02.2013 20. ***Sisteme solar termice eficiente cu acceptanţă ridicată pentru implementarea în mediul urban (EST IN

URBA), contract PN-II-PT-PCCA-2011-3.2-0512 / 2012, responsabil de contract Iordache Florin, membru în echipa de cercetare Klepş Arthur Sebastian