Lucrare de anLa disciplina: Conservarea energiei i sursele regenerabile Tema:Calculul comparativ al surselor regenerabile de energie pentru alimentarea cu energie termic a unui complex rezidenial din cartierul Buiucani

Chiinu 2014

CUPRINSINTRODUCERE................................................................................................................................31. ARGUMENTAREA TEMEI ......................................................................................................42. INFORMAII PRIVIND CONSTRUCIA COPLEXULUI REZIDENIAL ....................53. CALCULUL SARCINII TERMICE .........................................................................................54. STUDIU DOCUMENTAR PRIVIND UTILIZAREA POMPELOR DE CLDUR I CAPTATOARELOR SOLARE PENTRU PRODUCEREA APEI CALDE MENAJERE .85. ALEGEREA I DIMEDSIONAREA CAPTATOARELOR SOLARE CU TUBURI VIDATE ......................................................................................................................................146. ALEGEREA POMPEI DE CLDUR ..................................................................................14CONCLUZIE ...................................................................................................................................16BIBLIOGRAFIE .............................................................................................................................17

INTRODUCEREPrepararea apei calde menajere, reprezint o component important a necesarului de cldur al unui imobil, prezentnd ca i caracteristic important faptul c este relativ constant tot timpul anului. n cazul utilizrii surselor regenerabile de energie, cum sunt energia solar sau energia geotermal utilizat n pompele de cldur, temperatura apei calde menajere preparate, va fi de cca. 45 C. n cazul n care cldura pentru prepararea apei calde se obine prin arderea unor combustibili clasici solizi, lichizi sau gazoi, biomas solid, biogaz, etc., temperatura apei va fi de 6065C. n ambele cazuri, temperatura apei la utilizare va fi de cca. 40C, aceast temperatur fiind reglat prin adaus de ap rece.Prepararea apei calde menajere cu ajutorul energiilor regenerabile, se realizeaz n regim de acumulare. Nu se utilizeaz niciodat regimul instant de preparare a apei calde, deoarece acesta din urm, presupune sarcini termice mari, deci echipamente scumpe. Astfel, cu ajutorul surselor regenerabile de energie, apa cald menajer este preparat n boilere, al cror volum de acumulare trebuie determinat n funcie de consumul zilnic de ap pe care trebuie s l asigure. O problem important a preparrii apei calde menajere la temperaturi sub 60C, este c n boilerele aflate sub aceast temperatur, se poate dezvolta o bacterie, denumit Legionella Pneumophila. Aceast bacterie nu afecteaz sistemul digestiv, dar este extrem de agresiv pentru sistemul respirator, afectnd plmnii i poate provoca inclusiv moartea pacienilor. n bi, bacteria menionat poate s ajung din ap n aer, iar de aici poate s fie inhalat n plmni. Datorit acestei bacterii, cel puin boilerele pentru prepararea apei calde menajere la temperaturi sub 60C, trebuie prevzute i cu o rezisten electric, sau cu o alt surs de cldur, deoarece apa cald menajer din boiler trebuie nclzit pentru cel puin pentru o or pe zi, pn la temperatura de 60C, la care aceast bacterie este distrus.

1. ARGUMENTAREA TEMEIUtilizarea surselor regenerabile de energie are efecte deosebit de benefice nu numai prin creterea calitii aerului i protejarea mediului natural (reducerea emisiilor de gaze cu efect de ser, stoparea tierilor arborilor, protejarea florei i faunei), dar i n plan economic i social prin creterea securitii / independenei energetice, creterea gradului de ocupare a forei de munc i dezvoltarea mediului de afaceri. Prin Programul 20-20-20 al UE, toate statele membre UE s-au angajat ca pn n anul 2020 s i reduc cu 20% emisiile de CO2, s creasc eficiena energetic cu 20% i, de asemenea, s mreasc utilizarea resurselor regenerabile cu pn la 20%.Energii regenerabile sunt considerate in practica, energiile care provin din surse care fie ca regenereaz de la sine in scurt timp, fie sunt surse practic inepuizabile. Termenul de energie regenerabila se refera la forme de energie produse prin transferul energetic al energiei rezultate din procese naturale regenerabile. Astfel, energia luminii solare, a vnturilor, a apelor curgtoare, a proceselor biologice si a cldurii geotermale pot fi captate de ctre oameni utiliznd diferite procedee. Sursele de energie ne-rennoibile includ energia nucleara precum si energia generata prin arderea combustibililor fosili, aa cum ar fi ieiul, crbunele si gazele naturale. Aceste resurse sunt, in chip evident, limitate la existenta zcmintelor respective si sunt considerate in general ne-regenerabile. Sursele de energie regenerabile (SER) mai importante sunt: energia solar energie de biomas: biodiesel, bioetanol, biogaz energia eolian, uzual exprimat - energie de vnt energia apei energia hidraulic, energia apelor curgtoare energia mareelor, energia flux/refluxului marilor si oceanelor energia geotermica, energie ctigata din cldura de adncime a Pmntului.Toate aceste forme de energie sunt, in mod tehnic, valorificabile putnd servi la generarea curentului electric, producerea de apa calde, nclzirea spatiilor, etc. Actualmente ele sunt in mod inegal valorificate, dar exista o tendina certa si concreta care arata ca se investete insistent in aceasta, relativ noua, ramura energetica. Criteriile principale care determina perspectivele exploatrii SER sunt: rspndirea destul de uniform pe ntregul glob si accesul la utilizarea lor al majoritii rilor lumii; aflarea SER in apropiere de locul de consum si, ca urmare, lipsa necesitii de a transporta energia la distane mari; accesul populaiei att la producerea, ct i la folosirea energiei; majoritatea SER sunt nonpoluante.Datorita progreselor fantastice din ultimele doua decenii, tehnologiile si instalaiile de producere a energiei electrice si termice din SER pot concura, din punct de vedere economic, cu cele tradiionale. Din aceste considerente am decis s utilizm sursele regenerabile de energie pentru alimentarea cu energie termic a sectorului rezidenial respectiv.2. INFORMAII PRIVIND CONSTRUCIA COPLEXULUI REZIDENIALComplexul dat se afl la o distant de circa 0,75 km de CT-Vest. Sunt patru cldiri cu 9 etaje a cte 72 de apartamente, seria tip 135. Construcia este de tip panouri, cldirea nu este izolat. nlimea etajului de la nivelul podelei pn la pod este de 2,5 m. Cldirile sunt cu cte 2 scri, la fiecare scar sunt cte 2 apartamente cu 2 odi i 2 apartamente cu 3 odi. Astfel avem cte 14 ferestre pe un etaj i 126 de ferestre la cldire. Sistemul intern de alimentare cu cldur este de tip monotubular. Cldirile date au fost date in exploatare intre anii 1990 i 1994. Blocurile date nu sunt gazificate, doar conectate la electricitate, ap i canalizare. De aceea este foarte important obinerea energiei electrice de la surse mai ieftine decit la Uion Fenosa. Alturi de complexul dat este sediul Brigzii de poliie cu destinaie special Fulger care reprezint un obiect strategic si trebuie alimentat cu energiei electric nentrerupt. 3. CALCULUL SARCINII TERMICE

Consumul orar maxim de ap cald menajer se determin cu relaia:

(3.1)

unde: reprezint coeficientul de neuniformitate orar, pentru case cu numr de locatari de 288 locatari ;

consumul specific zilnic de ap cald menajer pentru o persoan, n l/zi ;

Deoarece n cazul dat prepararea apei calde se face local =60 l.N=290 numrul de persoane;T timpul n care se produce consumul diurn: pentru locuine T=24 h, n s.Necesarul orar de cldur pentru nclzirea apei calde menajere poate fi determinat cu relaia:

(3.2)

unde: este densitatea medie a apei, se culege din tabele cu proprietile termofizice ale apei n funcie de temperatura medie a apei:

(3.3)

- consumul orar maxim de ap cald menajer, n ;

- capacitatea termic specific a apei , funcie de temperatur.Determinarea vasului acumulatorVasul acumulator servete pentru nivelarea sarcinii n sistemele de alimentare cu ap cald menajer. Datorit lui se poate de reglat debitul de apa in sistem.Pentru determinarea volumului vasului acumulator, trebuie de luat n consideraie graficulde consum al apei calde menajere n 24h:V, % debitul volumetric de ap;

durata de timp, 24h.

Figura 1. Cronograma de consum a apei calde menajere pentru o cas de locuitConform graficului vom calcula Q:

(3.4)unde: V debitul volumic de ap; Qac - necesarul de cldur pentru prepararea apei calde menajere, n kW;

durata de timp, 24h. Deci:

Cu ajutorul acestor date vom construi graficul integral (Q0-1 =90,288 MJ, va fi valoare a graficului dup care respectiv, Q0-1 + Q1-6 =127,9 J, a II-a valoare a graficului, concomitent se vor prezenta toate datele).Vom obine o curb care va reprezenta consumul real de cldur. Dac vom uni punctul zero cu ultima valoare a curbei date vom obine consumul mediu de cldur.

Figura 2. Graficul integral al consumului de ap cald

Din graficul integral se determin abaterea maxim ntre consumul real de cldur i consumul mediu de cldur. Din schem se poate de observat c pentru cazul dat .Prin urmare volumul vasului acumulator, este:

(3.5)4. STUDIU DOCUMENTAR PRIVIND UTILIZAREA POMPELOR DE CLDUR I CAPTATOARELOR SOLARE PENTRU PRODUCEREA APEI CALDE MENAJEREPompele de cldura sunt cele mai eficiente surse de energii alternative pentru echipamentele de nclzire si rcire a cldirilor, utiliznd sursa de cldura regenerabil din jurul nostru. Chiar si la temperaturi sczute aerul, pmntul si apa conin energie util care este permanent rennoit de soare. Utiliznd ca surse de cldur solul, apa si aerul, se utilizeaz indirect energia solar, care este nelimitat. Utiliznd puin energie, o pomp de cldur poate furniza cldura necesar. Similar, pompa de cldura poate utiliza sursele de evacuare a cldurii, cum ar fi fabricile industriale, echipamentele de rcire sau de ventilare. O pomp electric de cldur va avea nevoie de o energie de 100 kWh pentru a transforma 200 kWh de cldura din mediu sau evacuat n 300 kWh de cldura util. Pompele electrice moderne de cldura, ofer posibiliti tehnice efective pentru economisirea de energie si reducerea emisiilor de CO2. Pompele de cldura pot reduce cu 6 % emisiile globale de CO2, printre cel mai mare procent pe care o singura tehnologie l poate realiza. Pompele de cldur sunt folosite atunci cnd: combustia direct pentru generarea cldurii nu este o utilizare eficient a combustibilului; se dorete utilizarea energiei regenerabile; se dorete reducerea consumului de combustibil cu 35-50 % daca boilerele ar fi alimentate pompe electrice de cldura, rezultnd cu 35-50 % mai puine emisii; se doresc economii de 50 % daca pompele de cldura sunt legate de sistemele combinate de cldura si energie sau de cogenerare. Cu pompele de cldura se poate furniza cldura necesara nclzirii spatiilor, apa calda, necesitile de rcire, acestea avnd un potenial foarte mare.Pompa de cldur mai este numita si pomp termic, fiind o instalaie termodinamica complex prin care sensul natural al transmisiei cldurii poate fi inversat. Aceasta are minimum doua surse externe: sursa rece care preia cldura din exterior si o cedeaz prin intermediul schimbtorului de cldura-vaporizator si sursa calda care preia cldura de la agentul de lucru in schimbtorul de cldura condensator si o cedeaz in exterior. n figura 1 este reprezentat variaia consumului anual de energie n funcie de instalaia utilizat.

Figura 3. Variaia consumului anual de energie n funcie de tipul instalaieiDin diagram se observ c cazanul pe combustibil lichid i cel pe combustibil gazos au cel mai mare consum anual de energie. Acest lucru se datoreaz randamentelor sczute ale cazanelor, randamente care sunt subunitare. O uoar scdere a consumului se sesizeaz n cazul nclzirii electrice. Cea mai bun soluie din punct de vedere al consumului anual de energie o reprezint utilizarea pompelor de cldur, caz n care consumul de energie se poate reduce de pn la cinci ori. Se observ o cretere mai pronunat n cazul pompei aer-ap a consumului de energie faa de celelalte variante de pompe de cldur. Pompa cu consumul de energie cel mai sczut este pompa de cldur ap-ap, urmat ndeaproape de pompa de cldur sol-ap cu sonde. Modul de funcionare al pompei de cldura corespunde modului de funcionare al unui agregat frigorific, dar inversat. Cldura se atrage din mediul nconjurtor (sol, apa, aer) si se conduce la sistemul de nclzire. Circuitul agregatului de rcire se realizeaz conform legilor fizice. Agentul de lucru, un lichid care atinge punctul de fierbere la temperatura redusa, se introduce intr-un circuit si consecutiv, se evapora, se comprima, condenseaz si se destinde. In vaporizator se afla agent de lucru lichid la presiune redusa. Se transmite cldura sursei asupra agentului de lucru, iar agentul de lucru fierbe si vaporizeaz. Cldura necesara se preia de la sursa de cldura. Vaporii rezultai in vaporizator se aspira continuu de ctre compresor si se comprima. In timpul comprimrii cresc presiunea si temperatura vaporilor. Vaporii agentului de lucru ajung din compresor in condensatorul care este nconjurat de agent termic. Vaporii se rcesc si se lichefiaz (condenseaz) din nou. Cldura preluata in vaporizator si suplimentar, energia electrica transferata prin comprimare, se elibereaz in condensator prin condensare si se transfera agentului termic. In continuare se recircula agentul de lucru prin intermediul unui ventil de destindere (de laminare) in vaporizator. Agentul de lucru trece de la presiunea ridicata a condensatorului la presiunea redusa a vaporizatorului. Se ncheie circuitul.

Figura. 4. Funcionarea unei pompe de cldurPrepararea apei calde menajereProducerea de ap cald menajer prezint alte cerine n comparaie cu producerea agentului termic pentru nclzirea spaiilor, i anume: - alimentarea cu ap cald se face pe parcursul ntregului an la debite i temperaturi aproximativ constante; - nivelul de temperatur solicitat este sensibil mai ridicat dect cel pentru un sistem modern de nclzire prin pardoseal.Mrimea rezervorului-acumulator depinde de consumul de ap cald-menajer. Se recomand s se renune la un sistem pentru re-circularea apei calde, deoarece consumul suplimentar de energie pe care implic nu influeneaz nici mbuntirea confortului, nici consumul de ap cald. n cazul n care nu se poate renuna la re-circularea acesteia trebuie limitat la orele de vrf de consum. Un rezervor-acumulator este prezentat n figura 1.4.

Figura 5. Rezervor acumulator Pentru nclzirea locuinelor i prepararea apei calde menajere cele mai utilizate variante sunt: - Pompa de cldur aer-ap - Pompa de cldur ap-ap - Pompa de cldur sol-ap: cu colectori orizontali, cu sonde.Colectoarele solare cu tuburi vidate folosesc pentru izolarea termic vidul, aflat ntre dou tuburi din sticl. Tubul interior este tratat la suprafa cu un strat de nalt absorbie selectiv. Cldura obinut este transmis prin lamele speciale din aluminiu n tuburi din cupru prin care circul agentul termic. Pierderile termice ale colectoarelor cu tuburi sunt astfel foarte mici i colectoarele pot prelua cldur i n cazul radiaiei solare slabe (soarele acoperit de nori radiaie difuz) sau la temperaturi extreme (temperatur joas a aerului i temperatur ridicat a mediului termic).Colectoarele solare cu tuburi permit preluarea efectiv a cldurii din radiaia solar cuperforman ridicat chiar i n condiii extreme.Avantajele lor sunt evideniate ndeosebi: la temperaturi exterioare sczute la prepararea apei calde de nalt temperatur la intensitatea redus a radiaiei solare la radiaia difuz atunci cnd soarele este acoperit de noriPentru aceste caliti, colectoarele solare cu tuburi sunt potrivite pentru: nclzire suplimentar cu prepararea apei calde menajere nclzirea piscinei i apei menajere pe tot parcursul anului prepararea apei calde de nalt temperaturFiecare element al panoului solar cu tuburi vidate este alctuit din dou tuburi de sticl coaxiale,ntre care exista un strat izolator vidat. Capetele tuburilor sunt plumbuite, deci stabilitatea vidului este garantat pe o perioad ndelungat. Absorberul panoului deci este nconjurat de vidul dintre cele doua tuburi, vid ce reprezint izolaia ideal i minimalizeaz pierderile termice la fel ca in cazul unui termos. Datorit acestui fapt panoul poate funciona si in condiii de timp nefavorabil. Suprafaa de absorbie care transform radiaia incident n cldur, este de form cilindric. Colectorul panoului expune aceeai suprafa indiferent de perioada de zi:diminea, la prnz ca i sear, randamentul acestora nefiind diminuat din cauza unghiului de incidenta al razelor solare ca si in cazul panourilor plane.Suprafaa de absorbie cilindric permite captarea avantajoas a cldurii din radiaia solar difuz indirect. Suprafaa de absorbie pentru radiaia solar difuz este mult mai mare dect ceapentru radiaia solar direct. Datorit acestui fapt, colectoarele KTU realizeaz ctiguritermice i pe timp nefavorabil.

Mod de funcionare stratul special absorbant aplicat pe toat suprafaa ( pe 360) peretelui interior din sticl, transmite cldura captat foliei din aluminiu cu care este n contact i care nconjoar tubul termic amplasat n centrul ei. n tubul termic din cupru se gsete ap inut la presiune sczut, aproape de vid. Acest lichid ncepe s fiarb la temperatura de 30 C. Aburii fierbini produi se ridic n condensatorul aflat pe partea superioar al tubului, care este n contact direct (mecanic) cu colectorul. Agentul termic din colector, preia cldura condensatorului tubului termic, totodat rcindu-l, astfel aburii din camera de condensare se transform din nou n ap, care se scurge pe peretele tubului, pentru a ncepe un nou ciclu. Agentul termic, care circul n colector, va nclzi treptat apa din rezervorul ACM, respectiv apa de nclzire. Datorit faptului, c suprafaa absorbant este aplicat circular pe tuburile colectorului solar, razele solare cad ntotdeauna perpendicular pe ea. Pentru a se putea profita de acest avantaj i s se obin un randament maxim, tuburile solare au fost dispuse astfel, nct s nu se umbreasc reciproc. Astfel, folosind colectorul cu tuburi vidate obinem randament maxim de dou ori pe zi, nu numai la amiaz, ca n cazul colectoarelor plane. n timpul amiezii razele solare ce trec printre tuburi sunt reflectate de oglinda aezat n spatele tuburilor, acestea fiind captate de partea inferioar a suprafeei absorbante. Randamentul obinut nainte i dup timpul amiezii, totui depete cu 5 % randamentul din timpul prnzului. Acest aspect prezint avantaj, mai ales pe timp de iarn. Randamentul este sporit i datorit efectului de ser: datorit pereilor dubli este mpiedicat n ntregime radiaia invers a cldurii (spre exteriorul tuburilor). Mulumit proprietilor lor deosebite, colectoarele cu tuburi vidate D-EG pot produce cldur chiar i pe timp nnorat, bineneles n msur mai redus dect pe timp cu cer senin. Acest fapt are importan datorit faptului, c perioada de timp n care colectoarele pot capta cea mai mare cantitate de energie solar, este ntre orele 9 i 16. Figura 6. Colectoarele solare cu tuburi vidate

5. ALEGEREA I DIMEDSIONAREA CAPTATOARELOR SOLARE CU TUBURI VIDATE Cantitatea de energie emanat de soare este de 38,31025 W, dintre care Terrei i revin 21017 W. Ceea ce corespunde densitii fluxului de cldur la suprafaa atmosferei Ig=1,353 kW/m2 . La suprafaa Terrei ajunge numai o parte din cei 1,353 kW/m2. Din radiaia direct n medie la suprafaa pmntului ajung 22 %, n zilele cu nori pe pmnt ajung 25 % din energia solar de unde scurte iar n zilele cu soare 80 %. Deoarece sarcina termic trebuie asigurat permanent vom considera densitatea fluxului de cldur la suprafaa pmntului pentru zilele cu nori 25 % din cea la suprafaa atmosferei.

(5.1)Vom utiliza panou solar cu tuburi vidate Bosch VK180 deoarece sunt dotate cu concentratori,ceea ce le asigur un nivel mai nalt de captare a energiei. Descriere: Panoul solar cu tuburi vidate Bosch, este un mijloc de captare si utilizare a energiei solare, avnd un grad de absorbie a radiaiilor solare de 95 %. Specificaii: Captare maxima a energiei solare chiar si in cazul radiaiei difuze sau in cazul radiaiei direct perpendiculare Randament ridicat datorita tubului vidat cu absorber acoperit selectiv cu sunselect, eficient la 360 .Cantitatea de energie absorbit de pe 1 m2 va fi :

(5.2)Calculul suprafeei necesare a colectoarelor pentru asigurarea sarcinii termice:

(5.3)Costul unui panou solar cu tuburi vidate Bosch VK180 cu suprafaa de 1,8 m2 este de 1112 . Costul total al panourilor va fi: 869216. ALEGEREA POMPEI DE CLDURDup calculul sarcinii termice pentru un bloc locativ cu 290 de locatari cu un consum de 60 litri/persoan necesarul orar de cldur pentru nclzirea apei calde menajere este de 41,8 kWDin am ales pompa de cldur pompa de cldur Vitocal 300-gDate tehnice: Pompa de cldura sol/apa intr-o treapta, putere de nclzire de la 28,1 pana la 58,9 kW, in doua trepte: 56,2 pana la 117,8 kW, maxim 471,2 kW; Coeficient de performan energetic ridicat: conform EN 14511 pana la 4,8 (sol: 0 C, temperatura pe tur: 35 C); Temperaturi pe tur de pana la 60C; La funcionarea in regim de nclzire monovalent, asigur nclzirea si prepararea de ap cald menajer; Eficient maxim cu costuri reduse de exploatare prin sistemul inovativ RCD (Refrigerant Cycle Diagnostic System) cu ventil de expansiune electronic (EEV); Funcionare silenioas datorita conceptului de reducere a zgomotului 3-D; Automatizarea Vitotronic 200 (tip WO1A) cu funcionare comandata de temperatura exterioara; Putere electric absorbit 10,7 kWPotrivit sursei costul pompei de cldur de o putere de 58 kW este de 20298 .

CONCLUZIE :Potrivit calculelor pompele de cldur se rscumpra in 10-12 ani de utilizare , un avantaj al pompelor de cldur este c nu ocup suprafee nsemnate la suprafa pe cnd colectoarele solare ocup suprafee cu mult mai mari. n plus sunt nite surse regenerabile de energie, practic inepuizabile care nu polueaz mediul, care la momentul actual este foarte poluat i reprezint o problem vital. Folosirea pompelor de cldur ar duce la alimentarea cu ap cald independent de reeaua oreneasc, faa de care consumatorii sunt mereu nemulumii, plus la asta ar fi mai mic consumul de ap cald pentru c aceasta se prepar pe loc.

BIBLIOGRAFIE http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile/2_4.pdf http://www.calorserv.ro/produse/Climatizare-ventilare-si-tratare-aer/Pompe-de-caldura-chillere-incalzire-cu-apa/putere_pompe_de_caldura___pompe_caldura/pompa-caldura-viessmann-vitocal-VIE300GWW145 http://panou-solar.compari.ro/bosch/vk180-panou-solar-cu-tuburi-vidate-bosch-p189148993/descrierea-produsului.html 1

2 4 6 8 10

12

14

16

18

20

22

24

20

40

60

80

100

120

140

160

180