ENERGIA GEOTERMALA CA SURSA DE ENERGIE IN CADRUL UNEI SERE DE MICI DIMENSIUNI

ENERGIA GEOTERMALA CA SURSA DE ENERGIE IN CADRUL UNEI SERE DE MICI DIMENSIUNI

1. Conversia energiei geotermale

Energia geotermala reprezinta energia termica (caldura) existenta sub scoarta terestra. Utilizarea ei in scopul producerii energiei electrice este relativ recenta. Astfel in 1904, la Lardello in Italia, s-a produs pentru prima data energie electrica cu ajutorul energiei geotermice. Actualmente, aici se afla o centrala termoelectrica de 40 MW ce utilizeaza abur la 245 ˚C, obtinut de la o adancime de 1000 m. Tot aici s-a creat un centru international pentru studiul conversiei energiei geotermice.

Criza petrolului din anii 70, precum si cresterea accentuata a necesarului de energie pentru toate sectoarele activitatii economico-sociale a determinat cercetarea altor surse de energie ca alternativa la combustibilii fosili; trebuie mentionat ca, importanta deosebita in aceasta orientare a reprezentat-o si impactul ecologic nociv al arderii combustibililor clasici. Intre noile surse energetice, un loc aparte 1-a constituit si il constituie energia zacamintelor geotermale; impunerea energiei geotermale ca alternativa viabila la combustibilii fosili a fost sustinuta, pe langa avantajele tehmco-economice pe care le prezinta, si de faptul ca 80 de tari dispun de resurse geotermale semnificative.

In sectorul energetic din majoritatea statelor europene s-au produs transformari majore determinate de necesitatea cresterii sigurantei in alimentarea cu energie a consumatorilor, iar in cadrul acestei cerinte, sursele regenerabile de energie ofera o solutie viabila, inclusiv aceea de protectie a mediului inconjurator.

Siguranta alimentarii cu energie a consumatorilor din statele membre ale Uniunii Europene este asigurata in mod obligatoriu prin luarea in considerare a importurilor, in conditiile liberalizarii pietei de energie si in conformitate cu nevoia stringenta de atenuare a impactului asupra mediului climatic planetar.

Necesitatea de asigurare a unei dezvoltari energetice durabile, concomitent cu realizarea unei protectii eficiente a mediului inconjurator a condus - in ultimii 10 - 15 ani - la intensificarea preocuparilor privind promovarea resurselor regenerabile de energie si a tehnologiilor industriale suport. Politica UE in acest domeniu, exprimata prin Carta Alba si Directiva Europeana 2001/77/CE privind producerea de energie din surse regenerabile, prevede ca, pana in anul 2010, Uniunea Europeana largita va trebui sa isi asigure necesarul de energie in proportie de circa 12% prin valorificarea surselor regenerabile.

In acest context, in multe tari europene dezvoltate (Franta, Italia, Germania, Austria), posesoare de resurse geotermale similare cu cele ale Romaniei, preocuparile s-au concretizat prin valorificarea pe plan local / regional, prin conceperea si realizarea unor tehnologii eficiente si durabile, care au condus la o exploatare profitabila, atat in partea de exploatare a resurselor (tehnologii de foraj si de extractie din sondele geotermale), cat si in instalatiile utilizatoare de la suprafata.

In functie de temperatura inregistrata la sursele hidrogeotermale (valorificate prin foraj si extractie) din Romania, geotermia de "joasa entalpie" se inregistreaza la ape de adancime (cu temperaturi cuprinse intre 25˚C si 60˚C) si, respectiv, geotermia de temperatura medie ("ape mezotermale"), cu temperatura de la 60˚C pana la maximum 125˚C.

Resursele geotermale de joasa entalpie se utilizeaza la incalzire si la prepararea apei calde pentru consum, in imobile rezidentiale (locuinte), anexe industriale, tertiare - servicii (birouri, spatii de invatamant si educatie, spatii comerciale si sociale, spitale etc.) sau constructii agrozootehnice (sere, solarii, ferme pentru cresterea animalelor s.a.).

Limita economica de foraj pentru ape geotermale nu depaseste, in general, 3.300 m si a fost atinsa numai in anumite zone (de exemplu, bazinul geotermal Bucuresti Nord sau perimetrele Snagov - Balotesti).

In anul 1990, in Romania se aflau in exploatare curenta 64 de sonde, pentru utilizari locale diverse, precum asigurarea incalzirii apei calde la ansambluri de locuinte, cladiri cu destinatie publica sau industriale, constructii agrozootehnice etc.

In prezent se afla in functiune aproximativ 75 de sonde de tip hidrogeotermal, in zone geografice diferite, iar potentialul energetic exploatabil in conditii economice depaseste 100 mii tep/an.

Energia echivalenta produsa si livrata utilizatorilor conectati la capul de exploatare al sondei depaseste 30 000 tep, cu un grad mediu de folosire anuala a potentialului maxim de peste 20%.

In etapa actuala se afla in conservare sau rezerva un numar relativ ridicat de sonde cu potential energetic atestat.

Materialele si echipamentele utilizate "in situ" au un grad ridicat de uzura fizica si morala (schimbatoare de caldura neperformante, nivelul avansat de coroziune, infundari, depuneri, conducte si vane din otel fara izolatie termica, fiabilitate redusa etc.).

Durata de exploatare a instalatiilor in functiune este mai mare de 20 ani, iar gestiunea energetica (sistemul de facturare a energiei livrate - utilizate) se inregistreaza in regim pausal, cu baza de calcul prin citire periodica a parametrilor la gura sondei, cu aparatura de tip industrial (lipsa de contoare de caldura si aparatura de precizie ridicata.

1.1. Scurt comentariu istoric

Cele mai vechi utilizari ale caldurii apelor geotermale au fost balneologia si crenoterapia sau, in limbajul comun, baile fierbinti si 'luarea de ape' pentru asa numitele motive medicinale.

Vechii greci, romanii, foloseau mult izvoarele calde si fierbinti, care pe langa confortul adus de baile fierbinti, pareau a poseda proprietati tamaduitoare si profilactice atunci cand erau aplicate extern, si uneori serveau pentru uz intern sau erau folosite la spalaturi.

Baia romana a devenit o institutie (termala) nu numai doar ca un centru de sanatate al oamenilor, dar si ca un focar al reactiilor sociale, si obiceiul a fost reinnoit in secolul al XVIII-lea si al XIX-lea cand au aparut o multime de 'locuri cu apa', ca locuri de adunare pentru invalizi si pentru lumea mondena.

In imperiul Otoman, in Japonia, Mexico si Noua Zeelanda uneori apele termale erau folosite in scopuri curative si igienice. Balneologia si crenoterapia au inflorit in acele zile. In 1971 numai in Italia 15 milioane de pacienti au fost tratati la mai mult de 200 de clinici specializate, in timp ce in fosta URSS sunt tratati anual cu ape termale mai mult de 10 milioane de oameni.

O alta veche aplicatie practica a fluidelor geotermale a fost extractia de chimicale. Etruscii obtineau acid boric din izvoarele fierbinti de langa Velatri (modernul Volterra) si l-au folosit pentru splendidele emailuri, pentru decorarea vaselor lor. Din secolul al XIII-lea pana in secolul al XVI-lea sulful, vitriolul si alaunul au fost extrase din acelasi izvoare de catre italieni.

La inceputul secolului al XVI-lea Cortez a folosit sulful depozitat in varful vulcanului Popocapetl pentru a-si face farfurii sau praf de pusca in timpul cuceririi Mexicului. Dupa 300 de ani, in 1818 Francesco Lardekel realizeaza o prospera industrie de acid boric in Toscana, folosind izvoarele fierbinti care fusesera exploatate de etrusci cu aproximativ 2 milenii si jumatate in urma.

Energia geotermala a atras atentia Lordului Kelvin, in secolul al XlX-lea, care a avansat o serie de teorii pentru a explica caldura interioara a Pamantului. Desi au devansat cu aproximativ 10 ani descoperirea radioactiva a lui Becquel din 1896, teoriile lui Kelvin pentru estimarea varstei Pamantului si estimarea caldurii terestre au fost bazate in special pe conceptiile clasice ale secolului al XIX-lea. El nu a reusit sa explice saturarea energiei geotermale, dar cu siguranta ca a directional multe idei inspre cautarea misterelor caldurii subterane.

In 1904 Sir Charles Parsons, eminentul inginer al carui nume este asociat cu

exploatarea turbinei cu abur si cu telescopul astronomic, a pledat in favoarea saparii unui put la o adancime de 12 mile in pamant la un pret de cost de 5 milioane, o suma considerabila in acele zile. El aprecia ca aceasta munca ar dura 85 de ani, si ca ar contribui in mare masura la cunoasterea structurii Pamantului a caracteristicilor sale termale. El si-a denumit ideea 'Proiect de exploatare a iadului'.

In acelasi an 1904, a fost initiata epoca geotermalismului, cand printul Piero Conti a promovat pentru prima oara generarea de curent electric in zona Lardello din Toscana. Dupa cateva incercari nereusite de a o utiliza cu ajutorul unor motoare conventionale cu abur natural, care au esuat din cauza coroziunii rapide, a fost data in functiune cu succes in 1913 o centrala electrica de 250kW care utiliza aburul curat obtinut cu ajutorul unui schimbator de caldura, din aburul natural, murdar.

Treptat, prin introducerea de materiale de calitate imbunatatita, problemele chimice au fost depasite astfel incat aburul natural sa poata fi alimentat direct la turbina fara schimbatorul de caldura intermediar si pierderile au fost diminuate. Pana la inceputul anilor 1940 au fost realizati aproximativ 130 de MW, in vecinatatea Lardello.

Aceasta centrala, prima de acest fel din lume, a fost distrusa total in timpul razboiului, dar curand dupa instaurarea pacii in Europa ea a fost reconstruita si exploatarea s-a extins si la alte zone din apropriere. Astazi, un complex de cateva centrale electrice geotermale din Toscana furnizeaza mai mult 400 MW sistemului de electricitate italian.

In anii 1950 Noua Zeenlanda a urmat exemplul Italiei exploatand o centrala geotermala de 192 MW la Wairokci in Irlanda de Nord. Problemele tehnice din Noua Zeenlanda au diferit de cele aparute in Italia in sensul ca aburul de la Wairokei era 'umed' in timp ce aburul de Lardello era 'uscat'.

Dupa cativa ani California a construit in etape ceea ce a devenit cel mai mare grup de centrale geotermice din lume. Acestea, asemenea centralelor italiene folosesc aburul 'uscat'. Sunt in exploatare mai mult de 500 MW. O serie de alte tari au inceput acum sa isi exploateze resursele geotermale, iar producerea de electricitate din caldura terestra a devenit acum unul din faptele de viata bine determinate.

Dar energia electrica nu este singura aplicabilitate moderna a apelor geotermale. Inainte chiar de a fi produsa energie in Italia, energia geotermala a fost folosita pentru incalzirea locuintelor, furnizarea de apa calda era practicata in Irlanda, Japonia, Italia, Idaho si Oregon (S.U.A.), incepand probabil din ultimii ani ai secolului XIX. Prima aparitie pe scara larga sub aceasta forma a exploatarii geotermale a avut loc prin anul 1930, cand a fost instalat organizat in Reykjavik din Islanda primul sistem retea de apa calda, alimentat de apele subterane naturale, folosit pentru termoficare si apa pentru consum menajer.

Acest sistem a crescut necontenit pana cand toate casele din Reykjavik au fost dotate cu acest serviciu care din punct de vedere economic este foarte competitiv fata de sistemele de incalzire menajera pe baza de combustibil chiar si inaintea cresterii pretului combustibilului in anii 1970.

In paralel cu incalzirea menajera s-a dezvoltat continuu in timpul secolului XX-lea utilizarea caldurii Pamantului pentru agricultura, horticultura, piscicultura, cresterea animalelor. In Islanda pana in 1975, 1400000 mp de cultura au fost utilizati in serele incalzite geotermal in care se cresc cu succes fructe, legume, flori, intr-o tara a carei clima ar fi facut imposibila o astfel de realizare. Beneficiile acesteia se reflecta in balanta comerciala a acestei tari dependenta, in mod normal, de manufacturi. In Ungaria de exemplu se folosesc nu mai putin de 1,7 milioane de sere incalzite geotermal.

Aplicatii in industria agricola si horticola ale caldurii terestre se practica in fosta URSS, Japonia, SUA, si in paralel si in alte parti; in Japonia de exemplu se practica ca si o atractie turistica, cresterea pestilor, a animalelor exotice intr-un climat ce difera foarte mult de acela al mediului lor originar. Spalarea si uscarea lanii si biodegradarea deseurilor biologice sunt alte activitati gospodaresti uzuale.

De asemenea s-au dezvoltat tehnici de conducere a aerului in scopul incalzirii spatiilor si se mai foloseste si racirea geotermala ca un suport al agriculturii, pentru conservarea produselor.

Geotermalism

Zacamintele geotermale pot fi gasite in regiuni cu un gradient geotermal normal sau putin ridicat si mai ales in regiunile din jurul marginilor placilor tectonice, unde, gradientii pot avea valori semnificativ mai mari decat rata medie. in primul caz, sistemele vor fi caracterizate de temperaturi scazute, nu mai mari de 100C, la o adancime de exploatare economica.

In al doilea caz, temperaturile pot acoperi o plaja larga, de la scazute la foarte inalte si adesea chiar peste 400C.

Un zacamant geotermal poate fi descris schematic, asa dupa cu il defineste Hochstein (1990) ca 'apa de convectie din crusta superioara a Terrei, si care intr-un spatiu limitat transfera caldura de la o sursa de caldura de profunzime la un rezervor de acumulare a ei si care de regula este suprafata libera a planetei". Deci, un zacamant geotermal este alcatuit din 3 elemente: o sursa de caldura, un rezervor si un fluid, care constituie agentul de transport ce transfera caldura.

Mecanismul prezentat este in corelatie stransa si totodata guvernat in mare de fluidul de convectie. Figura 1 descrie schematic mecanismul in cazul unei temperaturi medii a sistemului hidrotermal. Convectia exista datorita incalzirii si expansiunii fluidelor in campul gravitational, caldura care este furnizata la baza sistemului de circulatie constituie energia care conduce intregul sistem.

Tehnologia de foraj a sondelor geotermale este aceeasi cu cea utilizata pentru forarea sondelor de titei si gaze naturale. In prezent sunt utilizate mai multe metode de foraj, alegerea metodei optime facandu-se pentru fiecare sonda in parte, in functie de scopul urmarit, de constructia proiectata a sondei si de conditiile geologice.

Metoda cea mai des utilizata pentru saparea sondelor este forajul hidraulic rotativ. Instalatia de foraj este, de fapt, o macara (structura piramidala de grinzi cu zabrele), amplasata pe o platforma fixa, care are rolul de a sustine greutatea garniturii de foraj. Pe platforma fixa este amplasata masa rotativa, care antreneaza garnitura de foraj prin intermediul primei prajini, cu sectiunea transversala patrata. Cablul macaralei, masa rotativa si toate pompele necesare sunt actionate de motoare electrice.Energia electrica este produsa de grupuri moto-generatoare cu motoare Diesel pentru a asigura functionarea instalatiei si in locuri izolate.

Figura. 1. Reprezentarea schematica a unui zacamant geotermal ideal.

1.2.1. Utilizarea energiei geotermale

Criza energetica mondiala a determinat cautarea unor noi surse de energie. In acest context, energia geotermala constituie un potential energetic al carui valorificare este, in prezent, in atentia cercetatorilor din domeniu.

Intre utilizarile consacrate ale energiei geotermale amintim: producerea de energie electrica in cadrul centralelor electrice geotermale; incalzirea incaperilor si

prepararea apei calde menajere; incalzirea serelor ; balneologie ; piscicultura ; utilizari industriale.

Deoarece, in cazul centralelor electrice geotermale, al incalzirii incaperilor si prepararii apei calde menajere, apa geotermala este racita pana la o temperatura de 50 - 60C, iar normele ecologice impun, pentru deversare, o temperatura de maxim 40C, s-a recurs la utilizarea in cascada a energiei termice a apelor geotermale, care consta in aceea ca, dupa utilizarea in scopul producerii de energie electrica sau a incalzirii incaperilor si prepararii apei calde menajere, apa geotermala rezultata (cu temperatura de 50 - 60C) este utilizata pentru alte necesitati (incalzire sere, piscicultura, balneologie, etc.

Centrale electrice geotermale. Una din posibilitatile de valorificare a potentialului geotermal o constituie conversia energiei termice a apelor geotermale in energie electrica. Aceasta conversie se poate realiza direct, prin utilizarea energiei aburului in turbine in cazul zacamintelor geotermale cu temperaturi foarte ridicate, s-au indirect, prin intermediul centralelor electrice binare care au ca principiu de functionare utilizarea unui fluid de lucru. Acesta evolueaza dupa un ciclu termodinamic motor, in care apa geotermala reprezinta sursa calda a ciclului.

In strainatate, prima instalatie industriala de producere a energiei electrice din energie geotermala a fost realizata in 1931 la Lardello, in Italia. Aceasta folosea o turbina pentru destinderea aburului supraincalzit furnizat de o sonda de extractie. Acest tip de zacamant geotermal este foarte rar intalnit in lume. Prima instalatie industriala care folosea pentru producerea energiei electrice aburul saturat uscat, separat la suprafata din aburul produs de zacamant, a fost data in folosinta in 1958 la Wairakei, in Noua Zeelanda.

In strainatate, centralele electrice binare care realizeaza conversia energiei termice a apelor geotermale folosesc, ca sursa calda, ape geotermale de temperaturi intre 80-150C si ca fluide de lucru normalheptan, izobutan si freon. Primele doua au dezavantajul ca prezinta pericol de explozie, iar freonul are impact ecologic negativ prin distrugerea stratului de ozon.

La Universitatea din Oradea, centrala electrica geotermala din cadrul campusului universitar foloseste, ca sursa calda, apa geotermala cu temperatura de 85C. Bioxidul de carbon, utilizat ca fluid de lucru, elimina dezavantajele celorlalte fluide de lucru, nefiind nociv.

Astazi, energia electrica este obtinuta din energie geotermala in 21 de tari, capacitatea instalata fiind de aproximativ 6300 (e = electric). Patru tari in cun de dezvoltare produc peste 10% din totalul de energie electrica necesar, folosind resurse geotermale. Producerea energiei electrice prin acest mod are un cost de aproximativ 4 centi US / .

Incalzirea incaperilor si prepararea apei calde menajere. Tinand cont de aspectele economice care apar la incalzirea incaperilor folosind combustibil clasic, precum si de criza energetica actuala, s-au dezvoltat aplicatii ale utilizarii apeloi geotermale pentru incalzirea incaperilor si prepararea apei calde menajere. Utilizarea, in acest scop a apei geotermale se cunoaste in aproximativ 40 de tari, din care, 14 tari au fiecare o capacitate instalata de peste 100 (t = termic). Capacitatea totala instalata, este de aproximativ 12000 . Costul de productie pe in cazul acestui tip de utilizare este variabil, dar in mod obisnuit este sub 2 centi US / .

Prima incalzire rezidentiala in lume, folosind apa geotermala, a fost in Chande Aigues (Franta) in secolul al XIV-lea. Primul sistem de incalzire folosind apa geotermala a fost realizat in 1930 la Reykjavik (Islanda). in prezent, 85% din totalul populatiei Islandei traieste in locuinte incalzite cu apa geotermala. Sisteme de incalzire pe scara larga au fost construite in multe tari, precum Franta, Italia, SUA, China, Rusia etc.

Utilizarea in cascada a energiei provenite din apa geotermala un pas inainte in optimizarea sistemului de valorificare a energiei geotermale implica gasirea unor noi intrebuintari ale apei geotermale prin utilizarea in cascada. Diagrama Lindal este un punct de pornire in identificarea eventualelor utilizari in cascada a caldurii provenite din apa geotermala.

Utilizarea in cascada reprezinta folosirea directa a energiei apelor geotermale provenite de la o sonda geotermala de catre mai multi beneficiari conectati in serie, fiecare dintre acestia avand drept agent termic primar apa uzata termic evacuata de precedentul consumator.

Pentru exemplificare: producerea de energie electrica - incalzirea spatiilor - prepararea apei calde menajere - uscarea lemnului - pasteurizarea laptelui - sere - cresterea animalelor - piscicultura - acvacultura - balneologie - recuperarea caldurii reziduale cu ajutorul pompelor de caldura.

Aceasta este doar o enumerare teoretica a posibilitatilor de utilizare in cascada, deoarece este foarte putin probabil ca in cadrul unei comunitati rurale sa poata fi intalnite - in acelasi timp - toate aceste valorificari ale apei geotermale. In mod uzual se poate face o grupare a lor, inserand 3 - 4 tipuri de utilizari, in functie de principalii parametri ai apei geotermale disponibile la capul sondei (debit, temperatura, mineralizare), precum si de specificul zonei in care este utilizata aceasta resursa.

In municipiul Oradea, de exemplu, prin utilizarea apei geotermale se asigura apa calda menajera unui intreg cartier dc locuinte.

De mentionat ca Universitatea din Oradea este printre cele 3 universitati din lume care utilizeaza apa geotermala pentru incalzirea si prepararea apei calde menajere, pentru intreg campusul universitar (celelalte doua sunt in Islanda si SUA).

Incalzirea serelor. Utilizarea apei geotermale la incalzirea serelor are o larga aplicabilitate atat in varianta de utilizare a apei de zacamant, cat si a utilizarii in cascada. Dezvoltarea si diversificarea folosirii serelor in domeniul agro-horticol a antrenat dupa sine un necesar ridicat de energie pentru incalzirea acestora. Energia apelor geotermale constituie un potential energetic economic si la indemana.

Folosirea in acest scop a apei geotermale, a inceput in Islanda in 1920 si mai tarziu zeci si chiar sute de hectare de sere au fost incalzite in tari precum Ungaria, Italia, Macedonia, Rusia, China, Japonia, SUA, Noua Zeelanda si Romania. Printre argumentele utilizarii apei geotermale pentru sere se pot aminti:

posibilitatea amplasarii serelor in apropierea sondelor geotermale;

apa geotermala nu implica utilizarea unor sisteme de incalzire complicate si scumpe;

. in majoritatea cazurilor, incalzirea serelor cu apa geotermala este mai economica decat incalzirea cu alte surse de caldura.

Balneologie. Efectele terapeutice ale apelor geotermale au fost descoperite inca din antichitate; astfel, in Roma antica, observandu-se efectele benefice ale apelor geotermale asupra afectiunilor reumatismale, au fost construite 'termele romane', care s-au bucurat de o larga aplicabilitate.

In prezent, cercetarea stiintifica a efectelor medicale ale apelor geotermale este in plina dezvoltare atat in tara, cat si in strainatate, punandu-se accentul pe efectele fiziologice benefice pe care acestea le determina si pe programe diversificate de hidrokinetoterapie. Se studiaza intens interdependenta intre natura afectiunilor si compozitia apelor geotermale in scopul eficientizarii tratamentului. Cercetarile romanesti in domeniu ocupa un loc important. Romania dispunand de 16 statiuni balneoclimaterice, unde se trateaza anual peste 500000 bolnavi.

Piscicultura. Cresterea consumului de peste si de alte specii acvatice, precum si considerente economice au determinat crearea de unitati de productie specializate. Necesitatile de temperatura pentru speciile acvatice exotice, precum si cercetarile efectuate pe speciile autohtone au impus realizarea unor bazine cu tempera controlata a apei, cuprinsa intre 20C si 30C; s-a constatat ca, in conditiile in care temperatura din bazine este controlata, creste substantial reproductia si, implicit, productivitatea speciilor piscicole autohtone, precum si obtinerea, in conditii variate de clima, a speciilor acvatice exotice.

S-a constatat ca realizarea de bazine cu temperatura controlata a apei, este
deosebit de rentabila din punct de vedere economic, folosind apa geotermala atat in

varianta de utilizare a apei de zacamant, cat si in varianta utilizarii in cascada.

Implicatiile tehnice pe care le impune utilizarea in piscicultura a apei geotermale sunt minore, fiind legate doar de dimensionarea bazinului functie de caracteristicile forajului si de compensarea pierderilor de temperatura.

Utilizari industriale. Energia termica a apei geotermale poate fi utilizata si in unele procese tehnologice.

Aplicatiile industriale pot include procese de uscare, incalzire, evaporare sau distilare.

Astfel, apa geotermala poate fi folosita pentru uscarea cherestelei, uscarea unor produse alimentare vegetale, desalinizarea apei marine, spalarea si uscarea lanii, pasteurizarea laptelui, etc.

Extragerea mineralelor din fluidele geotermale este cunoscuta de pe vremea etruseilor, cand acidul boric a fost extras din izvoarele fierbinti ale stravechiului oras Velatri in Italia, fiind folosit pentru producerea smaltului cu care acestia isi decorau vasele.

Extragerea sarii din apa de mare, folosind izvoare geotermale, este cunoscuta in Islanda inca din secolul XVIII.

In prezent ea se extrage intr-o instalatie avand o capacitate de 18000 tone/an.

Prima aplicatie industriala pe scara larga, a aburului geotermal a fost initiata in 1950 intr-o moara de celuloza din Noua Zeelanda ce folosea peste 200 tone abur/ora, pentru prelucrare.

In 1967 in Islanda o fabrica ce folosea abur geotermal si-a inceput activitatea in uscarea diatomitei a carei materie prima se pompa dintr-un lac din apropiere.

Productia anuala de diatomita este de aproximativ 24000 tone.

Din 1960, in Islanda functioneaza fabrici de spalare a lanii, iar in China apa geotermala a fost folosita pentru spalarea si vopsirea covoarelor.

Alte domenii de utilizare a energiei geotermale precum si cele prezentate mai sus, se regasesc in diagrama Lindal (figura 1.2.).

Aceasta diagrama prezinta exploatarea apei si a aburului geotermal in functie de temperatura.

Energia geotermala inglobata in roci continentale, avand o temperatura 1021kJ, de peste 150 ˚C si situate la o adancime mai mica de 3 km, este de 1019kJ este inglobata de rocile cu o temperatura de peste150˚C are energia de 8 250˚C si ar putea fi utilizata pentru producerea de energie electrica.

Competitivitatea energiei geotermale creste pe masura ce resursele clasice se epuizeaza si pretul petrolului se mareste. Aceasta cu atat mai mult cu cat in afara investitiei, care are o pondere importanta, cheltuielile de intretinere si de exploatare a resurselor geotermale sunt relativ reduse.

Un exemplu elocvent de tara in care energia geotermala este larg raspandita este Islanda: din cauza lipsei carbunelui, a gazelor si a petrolului, aproximativ 30% din necesitatile energetice sunt acoperite de surse geotermale.

Mai mult, in Islanda energia geotermala este folosita pentru culturile de sere, pentru cresterea algelor si a pestilor, precum si pentru spalatul lanii, uscatul fanului etc.

Rezervele geotermale exploatabile din SUA pot acoperi necesitatile energetice actuale pe o perioada de 150 ani.

In SUA se urmareste valorificarea globala a sursei si in acest sens pompa termica constituie o solutie complementara cu ajutorul careia se extinde considerabil domeniul de utilizare, intrucat devin utilizabile in incalzire forajele geotermale mai putin adanci, deci mai ieftine.

Fig. 1.2. Reprezentarea sub forma de table a diagramei Lindal

1.2.2. Stadial cercetarilor geotermale pe plan mondial

Pe plan mondial, energia geotermala este utilizata in toate scopurile mentionate anterior, cu precadere pentru incalzirea incaperilor si producerea de energie electrica.

Este semnificativ, pentru sublinierea importantei acordate zacamintelor geotermale, nivelul investitiilor realizate pana in prezent si perspectivele prevazute, precum si cresterea continua a capacitatii instalate atat in domeniul incalzirii, cat si in cel ai producerii de energie electrica.

Figura. 1.3. Localizarea zacamintelor geotermale in lume.

In ultimele doua decenii, totalul investitiilor in domeniu s-a ridicat la aproximativ 22 miliarde USD. In tarile din Europa Centrala si de Est investitiile in aceeasi perioada au fost de 327 si respectiv 600 milioane USD. in 1990 puterea instalata totala pentru producerea de energie electrica din energia geotermala a fost de 6300 , iar pentru producerea de energie termica din energie geotermala a fost de 12000 MW.

Iar pentru anul 2000 prevad 8900 respectiv 30000 , iar pentru 2010 se apreciaza 13000 MWe, respectiv 77000 MW. Este vorba deci, de o rata medie anuala de crestere de 4% si respectiv 10%.

Figura. 1.4. Puterea instalata pentru producerea de energie electrica si

termica din energie geotermala precum si prognoza in domeniu.

Datele prezentate in Consiliul Mondial pentru Energie (WEC) din 1995, privind resursele de energii 'regenerabile' (solare, geotermale, eoliene) arata ca energia geotermala prezinta cea mai mare capacitate de instalare (61%) si de producere a electricitatii (81%) dintre toate celelalte surse de energii regenerabile.

Dezvoltarea geotermalismului a fost determinata de cresterea preturilor la combustibilii fosili, in special la petrol si gaze naturale.

Rata de crestere anuala a utilizarii energiei geotermale este apreciata la 4% pentru producerea de electricitate si 10% pentru utilizarea directa a acestei surse.

Aceasta duce la o capacitate instalata de 8900 si respectiv 30000 MW la nivelul anului 2000. Investitia totala, in acest domeniu, poate ajunge pe plan mondial, in deceniul urmator la aproximativ 15-20 miliarde USD.

Exploatate rational, zacamintele geotermale constituie o sursa de energie curata si regenerabila. Viabilitatea economica relativa a acestei surse de energie se va imbunatati semnificativ atunci cand va fi perceputa o 'taxa pentru poluare' celor ce produc energie electrica prin folosirea unor surse poluante (de exemplu, arderea carbunelui).

Explorarea si exploatarea zacamintelor geotermale necesita cunostinte din mai multe ramuri ale disciplinelor stiintifice sau din domeniul ingineriei in acest sens, functioneaza pe plan mondial mai multe centre internationale de instruire in geotermalism in Islanda, Italia, Japonia, Mexic, Noua Zeelanda, tari cu o anumita traditie in domeniu. In 1988 a fost fondata Asociatia Internationala de Geotermalism (IGA) care are peste 2000 de membri in intreaga lume.

Situatia geotermalism ului in lume este prezentata in tabelul 1.1:

Tabelul 1.1.

1.2.3. Stadiul cercetarilor geotermalein Romania

Cercetarea zacamintelor hidrogeotermale a inceput in Romania in anii 1962-1965 prin saparea primelor sonde in Campia de Vest: Oradea, Felix, Calacea si Timisoara. Pana in prezent au fost forate si au dat indicatii geotennale circa 200 de sonde, cvasi-totalitatea acestora fiind finantate de la bugetul statului, in cadrul programului de cercetare geologica si executate de firmele Transgex S.A. (fostul IPEG Cluj) si Foradex S.A. (fostul IFLGS Bucuresti). Punerea in productie si exploatarea experimentala a peste 100 de sonde geotermale in ultimii 15 ani, a permis evaluarea resurselor si a rezervelor exploatabile de caldura a sistemelor hidrogeotermale din Romania.

In Romania, gradul de valorificare a surselor de energie de origine geotermala este redus, cauza principala fiind determinata de lipsa unui suport financiar corespunzator, care nu favorizeaza dezvoltarea acestui sector energetic cu efecte economico-financiare superioare.

Utilizarea apei geotermale constituie o optiune viabila atunci cand agentul extras la suprafata asigura o alimentare a sistemului la debit constant, iar variatia necesarului de energie la consumator in diferite perioade ale anului nu este mare. Sistemul recomandat este cel cu mai multe puturi active, dintre care unele sa fie de repompare. Avantajele acestui sistem, pe langa energia asigurata, sunt conservarea rezervei de apa si conservarea presiunii stratului de apa. In SUA, din energiile obtinute din surse regenerabile, 5% proveneau din sursa geotermala si 1% din sursa solara. Exploatarea apei geotermale trebuie sa se realizeze prin utilizarea pompelor submersibile. La alegerea pompei corespunzatoare se au in vedere: inaltimea de pompare, temperatura maxima a apei, debitul de apa si puterea motorului electric.

Puterea totala instalata prin actualul parc de sonde si doar pentru utilizari energetice este de peste 350 , din care - in prezent - se utilizeaza efectiv 130 , prin exploatarea a cca. 65 de sonde care produc apa cu temperaturi cuprinse intre 55 si 115C.

Operatiunile geotermice se desfasoara in 25 de localitati din Romania, prin utilizarea a 65 de sonde care asigura o economie anuala de cea. 35000 t.e.p - tone echivalent petrol (peste 90% din energia extrasa se obtine in regim artezian).

Resursele geotermale ale Romaniei au permis ca la inceputul anilor '80, pe baza unei gandiri coerente si unitare, sa se dezvolte o mini industrie care valorifica aceasta energie.

Principalele utilizari sunt: incalzire spatii si preparare apa calda menajera, incalzire sere, uscarea lemnului, pasteurizarea laptelui, topirea inului si a canepii, cresterea intensiva a pestilor etc. (vezi figura 1.5.).

Economia totala de energie realizata anual este de peste 35000 t.e.p.: incalzire spatii 36%, incalzire sere 23%, procese industriale 7%, piscicultura 2%, balneologie 32%. in scop balneoterapeutic sunt utilizate cca. 30 de sonde (cu un debit total de peste 360 l/s, apele avand temperaturi cuprinse intre 38-65˚ C ) care asigura functionarea a 16 statiuni termale, in care se trateaza peste 500000 persoane/an. Sunt in functiune, de asemenea, 24 de stranduri si 7 piscine acoperite.

Apa geotermala are un continut pronuntat de saruri, variabil in limite largi. In cazul folosirii apei industriale in instalatiile energetice, din cauza pericolului depunerilor, in majoritatea cazurilor se insereaza schimbatoare de caldura de suprafata. Desi acestea degradeaza nivelul energetic al sursei, utilizarea lor este necesara pentru a evita depunerea sarurilor in instalatii cu efect de deteriorare a coeficientului de transfer termic si de obturare a sectiunii libere de trecere a apei prin conducte.

Schimbatoarele de caldura transfera efectul amintit in circuitul primar, in acest caz intervenind depuneri si obturari. Inlocuirile si curatirile afecteaza suprafete mult mai mici, cu efect favorabil asupra cheltuielilor de intretinere si exploatare.

Din cauza caracterului sezonier al necesitatilor de energie termica pentru incalzirea locuintelor, pentru rentabilizarea exploatarii se utilizeaza si consumatori suplimentari ca: sere, crescatorii de peste, instalatii de prelucrare a pastei de lemn si a hartiei, instalatii de uscare etc.

Figura. 1.5 Utilizarea energiei geotermale in Romania.

Figura. 1.6. Zacamintele geotermale din Romania.

Totalul investitiilor in domeniu au depasit cu mult 250- milioane USD. Structura acestora este redata in tabelul urmator:

Tabelul 1.2 Totalul investitiilor in domeniul geotermalismului in Romania

1.2.4.Potentialul geotermal al Romaniei

Principalele sisteme geotermale ale Romaniei sunt cantonate fie in formatiuni poros-permeabile (nisipuri si gresii panoniene din Campia de Vest si gresii senoniene pentru Valea Oltului), fie in formatiuni carbonate (triasicul din soclul Depresiunii Panonice si a Platformei Hoesice).

Acviferul geotermal multistratificat cantonat in nisipurile grezoase din baza Panonianului Superior se intinde pe circa 2500 de-a lungul frontierei de vest (de la Satu Mare in nord, la Timisoara si Jimbolia in sud), la adancimi cuprinse intre 800 m si 2100 m; gradientul termic este cuprins intre 45˚ C si 55˚ C pe km, temperatura apei la suprafata variaza intre 45˚- 65˚ C, mineralizarea este de 4-5 g/l, apele avand cu mici exceptii tendinta de a depune cruste carbonatice. In plus, din apele geotermale se separa gaze combustibile (ratia gaze-apa variaza intre 0,8 si 2 ) care pot fi utilizate (prin ardere in cazane) crescand productia de energie a respectivei sonde cu 15-20%.

Sondele produc fie artezian, fie prin pompaj submersibil, asigurand o economie anuala de circa 19000 t.e.p. la o putere efectiv utilizata de 55 MW. Rezervele exploatabile estimate pentru viitorii 10 ani depasesc 1,2 J cu actualul parc de sonde, iar resursele cu sonde noi si generalizarea extractiei prin pompaj, sunt evaluate la peste 9 J pentru 20 de ani.

Intregul sistem hidrogeotermal este lipsit de alimentare naturala, depresionarea fiind conditionata de volumele extrase in medie volumul specific de productie este de 3-5 m/bar depresionare.

Zacamantul geotermal Oradea este cantonat in calcarele si dolomitele triasice (2200-3200 m adancime), acopera o suprafata de circa 75 si este exploatat prin 12 sonde care, cumulat, pot produce artezian peste 140 l/s apa cu temperaturi de 70 - 105C fara gaze dizolvate si cu mineralizatie redusa (0,9-1,2 g/l).

Atat acviferul triasic de la Oradea cat si cel cretacic de la Baile Felix (care sunt legate structural si hidrodinamic) fac parte din aceeasi structura regionala si participa la circuitul activ al apei in natura (varsta apelor din sistemul geotermal Oradea - Baile Felix fiind de circa 20 mii ani, iar zona de alimentare este situata in zona nordica a muntilor Padurea Craiului si in Bazinul Borodului).

Desi exista o alimentare activa importanta, extractia cumulata de circa 300 l/s in perimetrele Oradea si Felix poate genera scaderea presiunii de zacamant.

Utilizarile energiei geotermale in Oradea sunt:

- incalzirea a circa 5000 apartamente,

- preparare de apa calda sanitara pentru circa 10000 de apartamente;

- incalzirea a 1,8 ha sere;

- pasteurizarea laptelui (15000 l/zi) si uscarea lemnului (10000 /an);

- cresterea intensiva a pestelui;

- producerea de curent electric intr-o instalatie binara pilot de 500 kW care utilizeaza ca fluid de lucru;

Zacamantul geotermal Bors este situat la circa 6 km nord-vest de Oradea, in aceleasi conditii geologice; este insa total diferit datorita conditiilor structurale: este un acvifer inchis, de mici dimensiuni (12 ), cu mineralizatia de 13 g/l, cu gaze din care 70% si 30% CH, cu o puternica tendinta de depunere de crusta. Temperatura de zacamant depaseste 130C (de la o adancime medie de 2500 m).

In prezent sunt in productie 3 sonde cu un debit total de 50 l/s si prin doua sonde se asigura reinjectarea la presiuni ce nu depasesc 6 bari. Deoarece energia geotermala este utilizata la incalzirea a 6 ha de sere, in pauza de vara se fece o reinjectie suplimentara, cu apa din cuaternar, pentru refacerea totala a presiunii de zacamant.

Sondele din perimetrul Bors au fost exploatate pentru alimentarea cu energie termica a serelor din Oradea. In perimetru sunt sapate 3 sonde de productie si 2 de injectie care au fost in exploatare pana in anul 1995 cand s-a oprit furnizarea de energie termica la serele din Oradea. Sondele au fost puse in productie si apa geotermala uzata termic reinjectata in zacamant.

In timpul sezonului de primavara apa geotermala era folosita numai in timpul noptii, iar in timpul zilei transportata direct la sonda de injectie. Datorita temperaturii ridicate apa nu se poate re-injecta ceea ce duce la scaderea presiunii de zacamant si la oprirea din productie a sondelor. Rezervorul este limitat cu alimentare partiala, depune cruste de carbonati, fiind necesara tratarea cu inhibitorii de cruste. Pentru exploatarea intermitenta a sondelor este necesara echiparea acestora cu pompe submersibile.

Sondele produc la presiuni dinamice de 10-15 bari, apa cu temperatura de 115C, care se degazeaza partial (la circa 7 bari); vehicularea apei spre sere, prin schimbatoarele de caldura si apoi spre sondele de injectie se face cu ajutorul acestei presiuni din degazorul de langa sonda. Dupa 10 ani de exploatare, instalatia si-a dovedit eficacitatea, economia anuala depasind 3000 t.e.p. la o putere instalata de 15 MW.

Perimetrul geotermal Beius a fost pus in evidenta de SC TRANSGEX SA in anul 1998 prin saparea unui foraj de cercetare la adancimea de 2576 m finantat de stat, intervalul de productie fiind situat in calcare dolomitice de varsta triasica.

S-a obtinut un debit de 40 l/s la o temperatura T=84 ˚C, potentialul energetic fiind de 60000 Gcal/an. Acviferul nemanifestindu-se artezian, s-a impus solutia tehnica de exploatare prin pompaj cu pompa submersibila cu ax vertical achizitionata prin firma VAG-Islanda, in cadrul Programului INCOCOPERNICUS al CE.

Dupa preluarea in anul 2000 a pachetului majoritar de actiuni a S.C.TRANSGEX S.A. de catre S.C. DAFORA SERVICES S.A. Medias, a fost posibila demararea unei investitii de amploare pentru alimentarea cu energie geotermica a orasului Beius. Pana in luna februarie 2001 au fost finalizate lucrarile de montare a conductelor izolate (circa 3,5 km) pentru transportul apei geotermale intre sonda de productie 3001 si punctele termice la care sunt racordate 1428 de apartamente.

Au fost reechipate 3 puncte termice existente si construit un punct termic nou, asigurindu-se incalzirea si apa calda menajera pentru asociatiile de locatari, spitale, scoli, diverse institutii si agenti economici. Cercetarea geologica a zacamintului geotermal Beius se continua de SC TRANSGEX SA, care a obtinut licenta de explorare in perimetrul Beius-Delani (sonda 3003 H - 2360m).

Disponibilitati: zacamintul Beius are un potential foarte bun si debitul de apa geotermala extras poate asigura necesarul de energie geotermica si apa calda menajera pentru toate utilitatile din municipiu.

Zacamantul geotermal Ciumeghiu, situat tot in Campia de Vest (la sud de Oradea) produce artezian apa cu temperatura de 105C, cu o mineralizatie de 5-6 g/l si cu un accentuat caracter incrustat. Prevenirea depunerilor se face prin tratare chimica la o adancime de 400 m. Colectorul zacamantului este constituit din gresii si este dispus la o adancime de 2200m.

In perimetru exista 4 sonde care au captat acviferul geotermal in colectoare nisipoase. Potentialul energetic este ridicat atat in ceea ce priveste energia din apa geotermala care are temperaturi cuprinse intre 90-1000C, cat si energia din gazele asociate, metanul reprezentand 98 %. Pentru exploatarea apei geotermale pot fi luate in considerare urmatoarele variante :

- Transportul apei geotermale pana in orasul Salonta pentru a suplimenta aportul energetic al sondelor din acest perimetru.

- Ridicarea temperaturii apei geotermale prin incalzirea acesteia intr-un cazan care foloseste gazele asociate separate din apa. La o temperatura de cca 160 0C, exista posibilitatea utilizarii apei geotermale pentru producerea energiei electrice.

Asociat apei geotermale este prezent metanul, cu o rata de peste 3. Zacamantul a fost cercetat prin 4 sonde, din care doar una este in exploatare, avand o putere de 5 , (din care 1 , din gaze);

In zacamintele din perimetrul Livada a fost forata o sonda care a captat acviferul geotermal in colectoare carbonatice fisurate. Sonda poate fi exploatata prin debitare arteziana sau prin pompaj si apa termala poate fi folosita la incalzire, prepararea apei calde menajere, incalzirea serelor si pentru agrement.

Prin punerea in functiune a unei sere cu suprafata de 1 ha exploatarea sondei din perimetrul Livada a fost intensificata.

In partea de sud a Romaniei au fost cercetate si sunt in exploatare doua sisteme geotermale importante reprezentand 18% din rezervele exploatabile ale tarii; in prezent asigura o economie de 4500 t.e.p.

Zacamantul geotermal Otopeni, situat in nordul Bucurestiului este doar partial delimitat (circa 300 ), cu un colector urias, cantonat in calcare sau dolomite fisurate, apartinand structural Platformei Hoesice, la adancimi de peste 1900-2600m.

Apa geotermala are o temperatura de 58-72C, o mineralizatie de 1,5-2,2 g/l dar cu un continut ridicat de hidrogen sulfurat. Exploatarea sondelor se face in pompaj submersibil (pentru ca nivelul static este de circa 80 m adancime) cu debite de 25-30 l/s.

In prezent produc doar 3 sonde (putere circa 5 ) si doua sonde sunt utilizate pentru reinjectie; dezvoltarea exploatarii este conditionata de depasirea unor dificultati tehnice si financiare cu atat mai mult cu cat exista utilizatori si sunt sapate deja 6 sonde din care ultimele doua situate in extremitatea nordica in zona Snagov, si au ape cu temperaturi de 75-80C si debite importante.

Zacamantul geotermal Cozia-Calimanesti situat in depresiunea Getica, produce 20-25 l/s si o presiune dinamica de 16-20 bar din gresiile fisurate senoniene de la adancimea de 1900-2200 m, apa de 90-95C, cu mineralizatie de 14g/l (fara metan). Desi se exploateaza de peste 10 ani, nu se inregistreaza nici o interferenta intre sonde, nici declin de presiune.

Potentialul termic posibil de realizat prin cele 3 sonde este de 10 , (din care 3,5 ( din gaze), dar in prezent se utilizeaza efectiv circa 8 , realizandu-se o economie anuala de circa 2500 t.e.p.

Operatiunile geotermale se desfasoara in circa 25 de localitati din Romania prin productia a 60 de sonde care asigura o economie anuala de peste 35000 t.e.p.

(peste 90% din energia extrasa se abtine in regim artezian). Resursele Romaniei au permis ca la inceputul anilor '80 sa se dezvolte o mini-industrie, care valorifica aceasta energie, economia de combustibil depasind 50000 t.e.p. pe an.

Tabelul 1.3 Resursele geotermale ale Romaniei

1.2.5. Preocupari si traditii in valorificarea energiei geotermale in

judetul Bihor

Cele mai importante zacaminte geotermale din Romania sunt situate in vestul tarii. incepand cu anul 1962, pe linia unor preocupari ce vizau accelerarea evidentierii si punerii in valoare a unor zacaminte noi, s-au executat numai in judetul Bihor pana in 1973 circa 23 de foraje puse in exploatare.

La acestea se adauga alte 22 abandonate si care au determinat un orizont de adancime ai apei geotermale cuprins intre 350 -1890 m. Rezerva de apa geotermala omologata din structura Oradea era la acea data de 20800 m /zi, rezerva cu care s-ar fi putut teoretic incalzi un numar de 108000 apartamente.

Aceste date preliminare au determinat printre altele si demararea unor studii privind valorificarea potentialului geotermal existent la nivelul municipiului Oradea.

In Oradea, respectiv in imprejurimile Oradiei, au fost identificate 3 zacaminte geotermale, zona fiind denumita - zona geotermala Oradea. Zacamintele sunt de obicei denumite dupa orasele sau localitatile din apropierea zonei cu zacamant geotermal. Zacamantul principal este situat aproape in intregime in orasul Oradea.

Acest zacamant este conectat hidrodinamic cu un al doilea situat in Baile Felix. Al 3-lea este aproape de Bors. Zacamantul Bors este relativ mic, cu o suprafata de 12 . Este un acvifer ingust, unde o extractie de fluid de 300000 cauzeaza o reducere a presiunii cu 1 bar. Apa are o mineralizatie dc 14000 ppm, fiind formata din 70% si 30% .

Temperatura rezervorului este mai mare de 130C la o adancime medie de 2500 m. Atat zacamantul Bors cat si Oradea sunt localizate in zacaminte geotermale geologice cantonate in fisurile calcarelor si dolomitelor Triasice la adancimi de 2200 -3200 m. Istoria extractiilor in Oradea arata ca zacamantul Oradea este un rezervor deschis. In ultimii 15 ani a fost utilizata apa geotermala cu un debit de aproximativ 50 l/s fara a se observa o scadere de presiune.

Compozitia chimica a zacamantului Oradea difera mult de cea a zacamantului Bors. Concentratia totala de compusi solizi dizolvati este de 1000 ppm, in principal bicarbonat de calciu si sulfati.

Exista cantitati mici de gaze dizolvate ca , si He. Temperatura zacamantului Oradea scade de la nord-vest catre sud-est in acvifer tinzand spre temperatura zacamantului Felix, cu care se afla conectat. In aria geotermala Felix-Bat, exista izvoare arteziene naturale cu temperatura intre 35-50C.

Reincarcarea naturala a celor 2 acvifere se face din Muntii Apuseni la aproximativ 80 km est de Oradea.

Utilizari actuale si posibila dezvoltare in viitor:

In zacamantul Bors, pana in prezent, s-au forat 5 puturi. Doua puturi sunt folosite pentru reinjectie in vederea mentinerii presiunii rezervoarelor, precum si a debitului artezian al puturilor.

Celelalte 3 se folosesc ca si puturi de productie, 2 pentru a asigura sarcina de baza si al 3-lea pentru sarcina de varf in scopul incalzirii a 6 ha de sere. Debitul maxim al acestor puturi este de 50 l/s in flux artezian. Fluidul geotermal este partial degazat, trecut prin schimbatoare de caldura si apoi reinjectat.

Depunerile de carbonati sunt prevenite folosind inhibitori chimici si termodinamici.

Este posibil sa se incalzeasca mai multe sere in aceasta regiune folosind apa geotermala disponibila in flux artezian de la puturile deja forate.

Se poate mari debitul zacamintelor din aceasta zona si prin instalarea pompelor de adancime.

Energia geotermica este folosita pentru incalzire si pentru prepararea apei calde menajere, de care beneficiaza cca 8000 de apartamente, diverse institutii, hoteluri etc.De asemenea este utilizata in diverse procese tehnologice, pentru sere si pentru agrement.

In 1992 a fost pus in productie primul dublet geotermal din Romania, format dintr-o sonda de extractie a apei geotermale, o centrala termica geotermala echipata cu shimbatoare de caldura si o sonda de injectie a apei geotermale uzate termic in zacamint. Rezultatele fiind remarcabile s-au facut investitii pentru marirea capacitatii de productie in vederea cresterii numarului de utilizatori.

SC TRANSGEX SA intentioneaza sa extinda sistemul de exploatare tip ,,dublet " in mai multe zone ale Municipiului Oradea.

Disponibilitati : zacamintul Oradea are un potential bun si daca se aplica sistemul de exploatare cu injectie, debitul de apa geotermala extras se poate mari cu cca 50%, putindu-se extinde distribuirea energiei geotermice si apei calde menajere in toate zonele municipiului.

Din cele 12 zacaminte forate in zona Oradea, 11 sunt folosite ca si puturi de productie si 1 pentru reinjectie (vezi tabelul 1.4).

Tabelul 1.4. Utilizarea energiei geotermale in Oradea, Romania

In Oradea, apa geotermala este folosita ca sursa pentru producerea apei calde menajere si incalzirea spatiilor interioare, realizandu-se astfel dubletul geotermal 'Nufarul-Oradea'.

Acesta este constituit din 2 sonde, una de productie ce debiteaza apa geotermala din intervalul 2040-2630 m adancime, iar a doua de reinjectie a apei geotermale reziduale la adancimea de 2285-2490 m.

O alta referire la sondele folosite in forarea zacamintelor di zonele Bihor si Satu-Mare ale SC TRANGEX SA sunt date in tabelul 1.5 .

Tabel 1.5 Numarul de sonde geotermale:

Sonda de productie debiteaza in regim artezian, 15-20 l/s la o temperatura a apei de 71C (2,1 - 2,8 Gcal/h). La nivelul anului 1994 instalatia deservea peste 8000 de persoane, existand posibilitati certe de a asigura aprovizionarea cu apa calda menajera a intregului cartier. Pretul gigacaloriei reprezinta doar 75% din cel practicat de reteaua de termoficare a orasului.

O contributie majora la dezvoltarea si diversificarea aplicatiilor practice ale acestui domeniu de cercetare stiintifica au atinso cadrele didactice si colectivul de cercetare existent in cadrul fostului institut de Subingineri din Oradea, din 1990 Universitatea din Oradea.

Rezultatele acestor studii si cercetari s-au concretizat prin diverse lucrari publicate si comunicate la diferite simpozioane si congrese de specialitate, dar mai ales prin realizari cu caracter practic care si-au gasit o imediata aplicare in diferite sectoare ale vietii social-economice. Dintre ele mentionam:

- incalzirea cladirilor din campusul Universitatii din Oradea si blocurile de locuinte din vecinatate;

- asigurarea apei calde menajere pentru caminele din campusul universitar si cladirile din jurul acestuia;

- proiectarea si executarea primei centrale electrice geotermale din Romania;

- incalzirea serei din campusul universitar;

- aplicatii in domeniul chimismului apelor geotermale.

MODELARE IN HORTICULTURA

Modelarea a jucat un rol important in cercetarile din horticultura si agricultura de multi ani. Horticultura este bazata pe culturile de inalta valoare (calitate) si cu o cerere de mai multe nevoi tehnice, sofisticate si management decat agricultura. In anii recenti, impactul protectiei mediului inconjurator si costurile de productie au accentuat asemenea constrangeri. De aceea horticultura comerciala a impus foarte mult controlul temperaturii din sere; cand sa se porneasca ventilatoarele, cand sa se foloseasca pesticidele si fertilizatorii.

Cele mai multe sisteme de modelare din horticultura sunt indreptate catre oamenii de stiinta si sunt studiate modelele practice de tratare. Distributia modelelor pentru industria horticulturii cere un efort considerabil, un anume program care sa le faca suficient de atractive pentru utilizator. Modelul descris in aceste pagini este un model-studiu, pentru cercetarile stiintifice.

Tehnologia avansata pentru horticultura serelor este studiata de Hanan (1998). Lucrarea lui este deseori folosita, si se refera la ceea ce este scris aici. Un obstacol major in folosirea modelelor pentru previziune meteo este acela ca datele, potrivite meteorologic, nu sunt intotdeauna cele optime.

Multe dintre procesele biologice incluse aici, depind de temperatura dar si de radiatii, evaporare, ploi, transpiratie si umiditate. Cateva proceduri de previziune meteo pot fi folosite cu succes, cu inregistrari pe termen lung, iar altele au nevoie de date culese in timpul anotimpului de crestere.

Intr-o cercetare a mediului, simularile sunt uneori construite, independent, pentru diferite aspecte ale unei culturi cum ar fi: obiceiurile de ingrijire, ajustari de temperatura, imbogatirea dioxidului de carbon etc. In acest stadiu sunt simulate o zi tipica de vara si una de iarna din Oradea sunt simulate. Alte conditii mai extreme de vreme ar putea fi usor simulate de model.

3.CADRUL INFORMATIONAL - PRINCIPALELE ASPECTE

DE MODELARE A SERELOR

3.1 CONTROLUL SI OBIECTIVELE UNUI MODEL DINAMIC DE

SERA

Serele, culturile lor si de asemenea managementul sunt un sistem. Un model este o reprezentare simplificata a unui sistem. Metodele matematice si complexitatea in rezolvarea acestor modele a devenit o arta pe care doar cineva implicat adanc le poate folosi cu succes. Seginer (1993) a subliniat cateva abordari ale problemei determinarii controlului climatului:

a) traditionala abordare, unde experimentele sunt proiectate pentru a testa
o gama de reguli.

In timp ce aceasta metoda a devenit comuna interactiunea si complexitatea controlului crescutpanalapunctul in care metoda este prea scumpa, cerand astfel facilitati de testare extinse.

Valorile prescrise din astfel de studii sunt, dupa Serginer, incapabile sa echilibreze, interesele conflictuale pe termen scurt (exemplu: ventilare simultana si injectare de dioxid de carbon). Exemplele ar fi investigatii de raspuns a culturilor la diferite temperaturi impuse intr-un numar de camere sau sectii ale serei.

b) abordarea sistem expert unde regulile sunt extrase din comunicarea cu un cultivator expert.

c) abordarea sistemului invatat (abordarea prin recunoasterea formelor) unde starea mediului inconjurator si actiunile cultivatorului expert sunt monitorizate.

Datele obtinute sunt folosite de Sigrimis (1989) unde variabilele au fost 'normalizate' (rangul 0 la 1) si valorile cerute erau obtinute prin inregistrarea datelor sistemului real timp de 24 de ore. Acestea au fost folosite apoi ca parametri ceruti care puteau fi 'acordate'.

d) abordarea de modelare sistemica, unde algoritmii matematici sunt
folositi in optimizarea schemelor pentru a produce decizii individuale de control.

Aceasta abordare este folosita de multi oameni, acum. Cand e vorba de modelele reale, exista o varietate, incluzand: modele stabile, modele statale, modele tip cutii negre, modele dinamice de imitare, modele mecanice, modele stocatoare, modele heuristice, modele descriptive, modele de precizie, modele cu variabila de stare etc.

Aici va fi prezentat modelul dinamic imitat, fiind modelul folosit pentru aranjarea serelor.

Metoda este sa reproducem raspunsul climatic din sere la una sau mai multe variabile cum ar fi temperatura, radiatia solara, ventilarea etc. Baza modelului dinamic este transformarea ecuatiilor statice in ecuatii 'dinamice'. Modelele statice sunt un set de ecuatii aratand multe aspecte ca pierderi de caldura, incalzire, ventilare, umiditate, condensare, infiltrare care pot fi rezolvate intr-un moment in timp, cand, in esential, sistemul este echilibrat.

Modelele statice sunt numite modele 'stabile'. Ecuatiile sunt bazate pe legile fizicii. Modelele statice nu implica timpul, in contrast, modelele dinamice iau in considerare schimbari, in timp. Cu ajutorul calculatorului este posibil sa transformam ecuatiile statice intr-un proces dinamic cand noi conditii pot fi calculate de fiecare data de ciclurile calculatoarelor.

Simularea este un proces ieftin pentru studierea climatului sau culturii fara costul cladirii unei sere si testarea cresterii culturii in interior. Aceasta este tinta articolului, sa se faca o estimare a raspunsului sistemului la conditiile climatice din Romania inainte ca sera sa fie construita si sa se estimeze consumul de energie. Numarul variabilelor care influenteaza cresterea face ca testarea actuala sa fie foarte scumpa.

Rezultatele simularii pot fi gata intr-un timp scurt si validitatea modelului poate fi comparata cu ceea ce se intampla sub conditiile reale, daca investigatorul simte ca trebuie sa faca astfel.

Unul dintre punctele importante a productiei din horticultura din sere este sa

creasca substantial venitul cultivatorului. Costurile investitiei pentru sere la fel ca si lucrul si costurile energetice sunt comparate, la nivel inalt, cu productia conventionala de plante. Acestea pot fi compensate doar cu utilizarea mai buna a potentialului de productie al plantelor , productivitate mai ridicata si eficienta energetica inalta.

Productivitatea mai ridicata a instalatiei si calitatea in combinatie cu reducerea poluarii si folosirea energiei, cere un control mai bun al mediului inconjurator. Temperatura, umiditatea aerului, dioxidul de carbon, concentrarea si intensitatea luminoasa sunt controlate in serele comerciale. Factorii de mediu inconjurator locali din sere care afecteaza cresterea culturilor si dezvoltarea lor definesc climatul serelor. Aplicarea algoritmilor mai avansati vor conduce Ia imbunatatirea controlului si a climatului serei.

In acest studiu, problema optimizarii climatului intr-o sera de sticla de tip VENLO este studiata in raport cu comportamentul serelor incalzite geotermal.

Sera experimentala de la Universitatea din Oradea nu s-a construit dar acest raport va fi o unealta folositoare in alegerea sistemului de control pentru ca rezultatele obtinute cu acest sistem va fi de asemenea folositor in convingerea multor detinatori de sere din Oradea si alte parti din Romania, ca apa geotermala poate fi folosita pentru incalzirea serelor de asemenea ca modul cel mai propice pentru economisirea energiei si imbunatatirea productiei este sa folosim sisteme de control de inalta tehnologie.

3.2. SISTEMUL DE INCALZIRE PENTRU SERE

Folosirea directa este una dintre cele mai vechi, cea mai versatila si mai comuna forma de utilizare a energiei geotermale. incalzirea spatiala, aplicatiile in agricultura si acvacultura sunt cele mai cunoscute si cele mai raspandite forme de utilizare.

Cea mai comuna aplicatie a energiei geotermale in agricultura este incalzirea serelor, care s-a dezvoltat pe o larga scara in multe tari. Motivele pentru alegerea energiei geotermale in acest sector, sunt:

a) buna corelare intre locurile productiei, in sere, si rezervoarele de energic geotermala cu entalpie scazuta.

b) faptul ca serele sunt cele mai mari consumatoare de energie cu entalpie scazuta din agricultura.

c) energia geotermaia cere instalatii relativ simple de incalzire, dar cele avansate, computerizate pot fl mai tarziu adaugate la conditionarea totala a climatului din sere.

d) competitivitatea economica a energici geotermale pentru incalzirea serelor in multe situatii. Ca si la folosirea altor tipuri de energie cum ar fi 'energiile alternative' , nu se poate afirma in mod general ca incalzirea serelor este cea mai optima forma a aplicatiei geotermale. Fiecare situatie trebuie evaluata separat si factorii locali joaca un rol decisiv in orice luare dc decizie. (Popovski 1993).

In momentul de fata productia in afara sezonului sau controlata climatic de legume si flori se poate baza pe o buna tehnologie. Solutii, variate sunt la indemana tuturor pentru obtinerea unor conditii optime de crestere bazate pe temperatura optima de crestere a fiecarei plante. Exista sapte sisteme de baza, diferite, pentru incalzirea geotermaia care sant aplicate in sere (Rafferty si Boyd 1992).

1 .tevi cu nervuri

2.incalzitori de baza

3.unitati de ventilare in inel

4.incalzirea solului

5.in cascada

6.tevi neizolate

7. combinarea celor de mai sus.

Alegerea tipului de incalzire nu este dictata de consideratiile inginieresti cum ar fi folosirea maxima a resurselor geotermale disponibile sau de cel mai economic sistem, ci de preferinta cultivatorului. Preferinta cultivatorului poate fi bazata, strict doar pe experienta veche si familiaritatea cu cresterea culturilor cu acel sistem. Poate de asemenea fi influentat de factori cum ar fi felul culturii sau probleme legate de bolile potentiale.

Unele culturi cum ar fi trandafirii si crizantemele, cer un control zilnic de umiditate si o mare circulatie a aerului pentru a preveni mucegairea frunzelor. Daca este folosit un sistem radiant (pe podea), sunt necesare ventilatoare de circulare auxiliare.

Plantele tropicale si subtropicale, in al doilea rand, pot cere o umiditate mare si o temperatura mare a solului. In acest caz va fi preferat un sistem radiant de jos in sus combinat, probabil cu un sistem de aer de deasupra pentru topirea zapezii si pentru obtinerea luminii solare maxim in timpul lunilor de iarna in regiunile cu averse mari de zapada.

Unele plante care infloresc pot cere portiuni de umbra pentru a controla inflorirea, astfel facand posibila comercializarea lor la momentul oportun. Tipul si localizarea invelisului umbros poate afecta amplasarea incalzirii si a sistemului dc aer, si probabil tipul incalzirii. Toate aceste lucruri ar trebui luate in considerare, iar cei ce fabrica aceste sisteme de incalzire ar trebui sa intretina discutii apropiate cu cultivatorii pentru selectarea tipului si plasarii dispozitivelor de incalzire.

3.3. DATELE CLIMATICE PENTRU ROMANIA

Din cauza pozitiei sale in partea de S-E a Europei, Romania are clima care este tranzitorie intre clima temperat si cel continental. Conditiile climatice sunt oarecum modificate de relieful variat al tarii. Carpatii servesc ca o bariera pentru masele de aer atlantice, impiedicand influentele oceanice spre V si centrul tarii unde ele fac iernile blande si caderi dc ploi grele.

Carpatii, de asemenea, blocheaza influentele continentale ale marii campii din N Rusiei, care aduc ierni aprige si ploi putine spre S si S-E. In extrema S-E, influentele mediteraneene ofera un climat bland, maritim. Temperatura medie anuala este de 11 C in S si 8C in N.

Caderile de ploi, chiar daca sunt adecvate prin toata tara, descresc de la V la E si de la munti la campie. Unele arii montane primesc mai mult de 1000mm precipitatii in fiecare an. Media anuala a precipitatiilor este aproximativ de 635mm in centrul Transilvaniei, 521 mm la Iasi in Moldova si doar 381mm la Constanta, la Marea Neagra.

4. AGRICULTURA PE SERA CURENTA DIN ROMANIA SI ROLUL

IMPORTANT AL ENERGIEI GEOTERMALE

Explorarea si cercetarea resurselor geotermale a inceput in Romania in 1962-1965. Primele puturi geotermale au fost forate in Campia de Vest (Oradea, Fclix, Calacea si ariile Timisoarei). Exploatarea complecta si experimentala a peste 100 de puturi in ultimii 20 ani a dat posibilitatea evaluarii resurselor de caldura exploatabile din rezervoarele geotermale.

Rezervele dovedite (cu puturile forate, exploatate de pompele din izvoare) sunt in jur de 200000TJ in 20 de ani. in prezent peste 200 de puturi au fost forate ceea ce arata prezenta resurselor geotermale. Forarea celor mai multor puturi a fost initiata de guvernul Romaniei ca parte a programului de cercetare geologica.

Forarea a fost dusa la bun sfarsit aproape in exclusivitate de Compania Romana Foradex S.A. intreaga capacitate instalata a puturilor existente pentru uzul energetic este de 320MWt (pentru o temperatura de 30 C). In prezent, doar 137 MWt sunt folosite din 60 de puturi care produc apa calda la temperatura de 55-115C. Pentru 2007 energia anuala de la aceste puturi este in jur de 1900TJ (45000tone) cu un factor de sarcina de 63%. Mai mult de 80% din puturi sunt descarcate in fantani arteziene si 18 puturi necesita inhibitie chimica anti-cojire. Utilizarile mai importante de energie geotermala sunt:

a) incalzirea spatiilor de locuit si prepararea apei calde pentru uzul menajer,

b) incalzirea serelor 34%.

c) procese industriale de incalzire (uscarea lemnului, pasteurizarea laptelui,

procesarea canepii si inului 11% ).

d) piscicultura (ingrijirea pestilor) 2%.

Cam 40 de puturi sunt folosite in scopuri recreative si balneare. Intreaga rata a debitului din aceste puturi este peste 360l/s si temperaturile apei sunt intre 35-65 C. in 2007, rata medie a debitului a fost de 275 l/s cu o utilizare anuala de 870TJ. Apa geotermala este folosita in prezent, in 16 spatii termale care au capacitate de tratament de peste 850000 oameni pe an.

Apa geotermala este de asemenea folosita in 24 de bazine deschise si in 7 bazine de inot acoperite. In 1995 intreaga energie economisita in balneologie a fost de 21000tone.

Inainte de 1990 Romania a fost una dintre cele mai puternice tari cu productii protejate de culturi in Blocul Estic socio-comunist si una dintre pionierii aplicatiilor energiei geotermale pentru incalzirea serelor (mai mult de 40 ha). Totusi procesele de tranzitie ale economiei de stat au influentai negativ conditiile pentru intrarea in aceste afaceri si au dus la o descrestere simtita in productie si stoparea procesului de dezvoltare.

a) multe dintre procese sunt ori prea vechi sau aproape abandonate din cauza lipsei de piata datorita calitatii joase ale produselor (folosind echipament tehnologic de slaba calitate).

b) tehnologii invechite folosite sunt departe de cele dezvoltate in tarile CEE. Reconstruirea si imbunatatirea sunt necesare in cete mai multe proiecte; o solutie buna ar fi propunerea folosirii potrivite a energiei disponibile incluzand sistemele de control de inalta tehnologie.

c) echipamentele folosite (in mod special pentru reglarea si controlul rezervelor de caldura) sunt foarte demodate si nu pot indeplinii cererile productiei intense si competitive.

Se poate afirma ca solutiile tehnice pot imbunatatii actuala situatie economica negativa a proiectelor agricole geotermale din Romania.

Simularea este o abordare potrivita in mai multe probleme enumerate aici, care ar putea influenta proiectarea serelor si astfel utilizarea energiei geotermale in incalzirea serelor.

Simularea permite, investigarea schimbarilor climatice si a altor parametrii de influenta si demonstrarea posibilitatilor a instalatiilor geotermale de incalzire in incalzirea serelor.

3.5. SISTEMUL GEOTERMAL SI PROIECTUL DE PREZENTARE AL

UNOR SERE DE MICI DIMENSIUNI

Universitatea din Oradea a fost stabilita ca o universitate de stat in 1990 pe baza Institutului de invatamant superior si fondat in 1963. Cuprinde mai mult de 12 departamente in mai multe domenii. Cele legate de energia geotermala sunt ingineria mecanica, ingineria electrica, ingineria energetica protectia mediului inconjurator si stiinta medicala.

In incinta campusului universitatii, un put geotermal a fost forat in 1981. Rata initiala a debitului artezianei a fost de 35 l/s cu o temperatura de iesire a putului de 87 C. in prezent rata debitului este de 30 l/s si temperatura de iesire a putului este de 85 C. Apa geotermala este folosita pentru incalzirea cladirilor Universitatii pentru a le echipa la robinete cu apa calda si sa produca electricitate intr-o instalatie pilot cu putere binara care este una experimentala folosita pentru testare.

Apa geotermala returnata folosita pentru sistemul de incalzire si pentru instalatia electrica cu putere binara este prevazuta pentru folosirea intr-un complex de incalzire a serelor, pentru doua bazine de inot si pentru 2 helestee piscicole. Aceasta se numeste cascada si a fost folosita in scopuri educationale si de cercetare.

Un proiect de prezentare al unei sere a fost planificat la Universitatea din Oradea, compus dintr-un complex de 4-6 unitati mici productionale de 200 complet cu diferite tehnologii pentru culturile vegetale caracteristice si pentru diferite tehnologii geotermale de incalzire, adaptate pentru folosirea fluidelor de incalzire de joasa temperatura, pentru iernile aspre si pentru cererile cultivatorilor. O unitate mica este de asemenea planificata pentru productia puietilor arboricoli si pentru un simplu laborator pentru urmarirea realizarii productiei si pentru materialele de rezerva.

In complexul de sere apa geotermala va fi folosita pentru incalzirea spatiului si a straturilor calde. Incalzirea straturilor calde are un rol important nu ca un sistem de incalzire dar ca o tehnologie pentru crestere, constand dlntr-o cale speciala de incalzire a plantelor prin sol.

Modelul climatic descris aici poate fi o parte importanta a acestui proiect de prezentare.

Scopul proiectului este sa demonstreze avantajele tehnice, tehnologice si economice a constructiilor serelor modeme folosind energia geotermala locala disponibila, in comparatie cu cele construite dupa o tehnologie veche care folosesc energia combustibililor fosili.

Acest proiect ar trebui sa dea o orientare pentru realizarea tehnica si economica a dezvoltarii culturilor protejate prin incalzire geotermala din Romania, introducand sisteme computerizate pentru controlul incalzirii serelor. Datele folosite pentru observarea procesului de incalzire a serei, da posibilitatea masurarii si monitorizarii schimbarilor ale tuturor datelor energetice si tehnologice sub diferite conditii climatice si de exploatare.

Datele culese vor fi evaluate si elaborate pentru a estima calitatea tehnologiilor si tehnicilor alese. Un control exact al factorilor care influenteaza climatul serei sau cel 'intern' (ceruti pentru dezvoltarea optima a plantelor) reduce consumul de energie si se stie ca serele sunt unele din cele mai mari consumatoare de energie din agricultura. Pentru tari ca Romania, cu o economie in tranzitie, folosirea corecta a energiei disponibile cu pierderi mai putine este una dintre cele mai importante obiective.

Sera propusa este un tip standard olandez Dutch NEN 3859, uneori privit ca un standard 'Venlo' (Spelman 1988, Spek.1985) fiind considerat proiectul 'standard' din tarile europene este probabil, unul dintre cele mai mult folosite tipuri de sera din lume. Tipul 'Venlo' de sera consta dint-o suprastructura din otel in module de 4X6,4 m care permit Im de sticla in latime de 4mm grosime.

Este aflata deasupra solului, toate deschiderile avand aceeasi structura si dimensiuni (18X50m). Sera este construita ca o structura metalica pe o fundatie continua de beton. Toate elementele structurii metalice sunt facute din profile zincate din otel (forma de I).

Exista 3 randuri de bare metalice, cu 9 m intre flecare, care sustin un aranjament metalic fiecare de 18m largime si cu o inaltime maxima de 6m si una minima de 3m (la streasina). Fiecare deschidere are o intrare centrala, de 2m largime, la ambele capete si cateva intrari pe margini fiecare dintre ele avand usi glisante. Aleele pavate sunt construite in interiorul serelor pentru a permite un bun acces interior.

Sistemul de incalzire de la Livada reprezentata in Fig.3.1, este compus din 4 circuite. Sursa de energie folosita este apa geotermala, o sursa de energie nepoluanta, aceasta fiind extrasa dintr-un foraj de mare adancime din apropierea satului Livada de Bihor, care altadata era lasat in paragina. Sistemul de incalzire folosit este cel pe bza de schimbatoare de caldura in placi.

Fig. 3.1. Serele de la Livada

4. TIPUL SEREI

EFECTUL SEREI

Diferenta dintre climatul serei si vremea de afara (asa numitul efect de sera) este cauzata in principal de 2 mecanisme:

a) primul este stratul de aer: aerul din sera este stagnat datorita incintei. Astfel, schimbul de aer din sera cu aerul de afara (din imprejurimi) descreste puternic in comparatie cu aerul din afara incaperii (serei). Mai mult, vitezele aerului local sunt mici comparate cu cele de afara.

Reducerea schimbului de aer (ventilarii) afecteaza direct energia si masa schimbata a aerului din sera in timp ce vitezele aerului local afecteaza schimbul energetic, de vapori dc apa si de dioxid de carbon intre aerul serei si inventarul din sera (cultura, suprafata solului, sistemul de inchidere si cel de incalzire).

b) al doilea este mecanismul radiatiei: radiatia de unda scurta din interior (direct de la soare si raspandita de la cer si nori) este in descrestere datorita interceptiei luminii de catre componentele opace si transparente ale serei in timp ce schimbul de radiatii de unde lungi dintre inauntrul si afara serei este modificat datorita proprietatilor radiante ale materialelor de acoperire. Sticla, ca material de acoperire duce la teoria capcanei de soareci, sticla este (in parte) transparenta pentru radiatia de unda scurta, care vine si opaca pentru cea emisa din interior, pentru unde lungi astfel energia fiind captata. Totusi acest efect este de importanta mica in explicarea cresterii temperaturii aerului in sera, dc aceea, echivalarea efectului serei cu teoria capcanei de soareci este amagitoare.

Cu toate acestea, efectele radiante sunt indispensabile pentru a descrie climatul serei pentru ca el afecteaza direct toate bilanturile energetice, si de aici temperatura interioara.

4.2. PROIECTAREA INCALZIRII SEREI SI CONTROLUL CLIMATIC

Datorita temperaturi din iernile aspre din tarile Europei in timpul iernii, primaverii si toamnei, este necesar sa se incalzeasca atat spatiul cat si solul serei. Sistemul de incalzire va fi, astfel o combinatie dintr-un sistem de incalzire localizat pe suprafata pamantului si sistemul de incalzire a solului.

4.2.1 PROIECTAREA SISTEMULUI DE INCALZIRE A SUPRAFETEI

Sistemul de incalzire localizat pe suprafata solului are scopul de a incalzii atat aerul cat si solul serei. Sistemul de tevi este localizat pe suprafata pamantului intre sirurile de plante ori direct in randurile de plante din sera. Tevile pot fi aranjate in bucle simple dar de asemenea cu un sistem paralel de 2 sau 3 tevi buclate.

Acest sistem de incalzire are un raspuns bun si rapid la schimbarile de scurta durata ale temperaturii din afara serei. Influenta asupra temperaturii solului, de sub instalatie, este mica; inauntru miscarea aerului este bine directionata si aerul are de asemenea o viteza convenabila pentru cele mai multe culturi.

Acest tip de sistem de incalzire are o influenta pozitiva asupra celor mai cunoscute culturi de plante cu recolte culese mai devreme, dand recolte mai bune si calitate mai buna a produselor. In timpul iernii, deoarece frunzele din varful plantelor nu sunt protejate impotriva frigului, radiatia solara poate fi folosita ca un sistem de incalzire aditional aflat deasupra, specific climatului rece.

In proiectul de incalzire a suprafetei solului se presupune folosirea, tevilor din plastic de 40mm diametru cu un coeficient de transfer al caldurii kp=l 1,52 W/m2k. Pe langa sistemul de incalzire a suprafetei solului, un sistem de incalzire a solului este folosit si asigura cam 60% din cerintele totale de incalzire.

Suprafata necesara a elementelor de incalzire depinde de cerintele de incalzire ale serei si de factorii care influenteaza transferul dc caldura de la sistemul de incalzire catre interiorul serei. O ecuatie simpla este folosita pentru calcularea suprafetei necesare a elementelor sistemului de incalzire (Popovsky, 1990):

(1)

unde: =suprafata elementelor incalzirii [];

=coeficientul transferului de caldura a materialului tevii

(W/k);

=temperatura medie a elementelor de incalzire [k];

=temperatura interioara a serei [k];

=caldura necesara pentru sera [W];

In ecuatia de mai sus, temperatura medie a elementelor de incalzire poate fi calculata ca valoarea medie aritmetica a elementelor de incalzire.

(2)

In ecuatia 2 , si sunt respectiv, temperatura fluidului de incalzire care intra in instalatie si temperatura fluidului returnat. Considerand ca temperatura fluidului care intra in teava este de 80C si a apei retumate este de 60C temperatura elementelor de incalzire este de 70C. Temperatura interioara este considerata a fi 30C. Toate elementele din ecuatia de mai sus fiind cunoscute, suprafata sistemului de incalzire este:

(3)

Aria tevii, considerand ca lungimea tevii este l_50m este data de formula:

(4)

Dupa calculare, . Numarul de tevi necesare este dat de raportul dintre ecuatia 3 si 4:

(5)

In consecinta, sunt necesare 19 tevi. Numarul tevilor poate creste daca sistemul de incalzire a solului nu poate furniza destula energie. Sistemul de incalzire a solului are o temperatura limitata pentru a evita supraincalzirea podelei.

4.2.2. PROIECTAREA SISTEMULUI DE

INCALZIRE A SOLULUI

Acest sistem implica in general, folosirea podelei serei ca un mare radiator. Tevile, prin care circula apa calda sunt ingropate in podeaua serei. Caldura din apa fierbinte este transferata prin tevi la sol si eventual aerului din sera. In trecut materialele pentru tevi erau facute in general din otel si cupru.

Din cauza coroziunii si a problemelor de cost ale acestor materiale, materialele nemetalice au primit o importanta crestere in ultimii ani.

Cel mai popular dintre acestea este polybutilene. Acest material este capabil sa reziste ia temperaturi relativ mari (pana la 80 C) si este disponibil in forme de role pentru instalare usoara.

Tevile din PVC sunt disponibile doar in forme rigide si sunt limitate cu referinta la temperatura. Un sistem de incalzire a solului este preferat de multi operatori deoarece rezulta o distribuire foarte uniforma a temperaturii de la podea spre tavan si nu impiedica spatiul podelei si nu cauzeaza umbre.

Totusi abilitatea sa de a furniza 100% din cerintele incalzirii unei sere depinde mai mult de un climat destul de bland umed si o temperatura joasa in interior. Aceasta este cauzata de tipul de transfer al caldurii in sistem.

Ca un rezultat acest sistem este folosit in general in conjunctie cu alt sistem cum ar fi sistemul de incalzire a suprafetei.

Sistemul de incalzire a solului contine tevi localizate le 50 cm dedesubtul suprafetei solului la 40 cm intervale. Tevile folosite sunt ondulate 20 mm in diametru. Apa geotermala returnata din sistemul de incalzire a suprafetei va fi folosita. in acest fel, inclinarea pentru depuneri este evitata pentru ca apa returnata este aproape limpede si fara chimicale. Sistemul este orientat catre pastrarea constanta a temperaturii din jurul radacinii plantei. Tipul incalzirii este foarte indicat pentru o lista de culturi vegetale si fiori si de asemenea pentru culturile timpurii si pentru cele consumatoare de caldura redusa.

La proiectarea sistemului incalzirii solului a fost urmarita aceeasi procedura ca si pentru sistemul de incalzire a suprafetei, considerand temperatura apei la alimentarea sistemului sa fie temperatura apei returnate din sistemul de incalzire a suprafetei.

Cum a fost mentionat inainte, sistemul de incalzire a solului este folosit pentru a acoperi aproape 60% din caldura totala ceruta.

Intreaga caldura ceruta pentru incalzirea serei este considerata sa fie aproximativ 135kW; de intrucat sistemul de incalzire a solului trebuie sa dea aproximativ 80kW.

Suprafata elementelor sistemului de incalzire poate fi definita de urmatoarea ecuatie:

(6)

unde: =caldura totala furnizata de sistemul de incalzire a solului [W];

=coeficientul de transfer a caldurii al materialului tevii

[ W/K];=l 0,77W/K

= temperatura solului (incalzit de sistemul de incalzire a solului) la

adancimea unde tevile vor fi ingropate [C]; se presupune sa fie

=25˚C

Temperatura, , este la fel ca in ecuatia 1 si se presupune a fi 70 C, dand

. Aria tevii este data de:

(7)

Pentru lungimea tevii, l=50m, si cu ,aria tevii devine .Numarul tevilor necesare pentru sistemul de incalzire a solului este calculat in acelasi fel ca si pentru sistemul de incalzire a suprafetei:

(8)

Folosind datele prezentate mai sus in ecuatia 8, s-a gasit ca 57 de tevi sunt necesare pentru sa acopere 60% din caldura totala ceruta. Daca aceasta cantitate este prea mare pentru a acoperi aria solului, atunci tevile pot fi montate in bucle duble sau diametrul tevilor poate creste (vezi fig. 4.1.).

Fig. 4.1. Sistem de incalzire cu bucla simplu sau dubla.

4.2.3. SISTEMUL DE VENTILARE AL SERELOR

Pentru a promova buna crestere a plantelor, serele cer caldura iama, dar la fel de important este si ventilarea in timpul zilelor verii. Aceasta este ceruta pentru 3 motive:

1. pentru a limita temperatura serei;

2. pentru a indeparta vaporii de apa transpiratii de plante;

3. pentru a inlocui di oxidul de carbon folosit in fotosinteza.

Pentru a limita temperatura serei, cea mai putin costisitoare metoda folosita este ventilarea naturala cauzata de diferentele de presiune sau de fortele ascensionale naturale prin ventilatoare aranjate in varful structurii, pe margini sau in ambele moduri.

Miscarea si amestecarea aerului din sera are o influenta directa asupra schimbului de energie a vegetatiei. Acest aspect al vitezei vantului peste bolta in functie de rata de ventilare pentru structura nu este tratat adecvat in bilantul energiei descrisa in literatura. Dar operatia de ventilare este foarte importanta mai ales pentru plantele pretentioase crescute in sera.

Miscarea aerului si usoarele scaderi de temperatura in conditii critice pot aduce conditii favorabile pentru dezvoltarea bolilor cum ar fi: epiderma mucegaiului. De aceea, este important ca ventilatorul sa fie proiectat corect si rata de ventilare sa fie controlata adecvat.

Pentru conditiile climatice din Romania ventilarea naturala va fi folosita ca in tipul olandez Venlo din sere. Ventilarea va avea loc prin deschiderea geamurilor acoperisului serei. Dupa Smith (1988) aria de ventilare ar trebui sa reprezinte aproximativ 16% din aria totala a podelei.

Ventilarea naturala este obtinuta prin descrierea tablourilor ventilatoare din acoperisul serei. Aerul cald intern trece afara printr-o combinatie de convectie naturala si fortata si este inlocuit de aerul din afara mai rece care intra prin partile de jos ale aceleiasi deschizaturi de ventilatie.

Convectia fortata este produsa de vant in consecinta rapiditatea si directia vantului afecteaza rata ventilatiei.

In calcularea schimbului aburului din sera datorita ventilarii s-a presupus ca aria totala a ventilarii este 16% din aria totala a podelei (144) cum este tipica pentru acest tip de sera. Fluxul vaporilor de apa este dat de :

(9)

unde: =viteza vantului [m/s];

=fluxui vaporilor de apa datorita ventilarii [];

=deschiderea ventilatorului, ia valori intre o 1;

=inclinatia curbei aratand fluxul ventilatiei impartit la variatia vitezei vantului () cu procentul deschiderii ventilatorului (Hanan, 1998; fig. 4-67) =0,266;

=aria ventilatiei[]=144[].

Cantitatea vaporilor de apa este:

(10)

In ecuatia 10 si , respectiv, reprezinta umiditatea absoluta a aerului dinauntrul si din exteriorul structurii. Pentru a calcula umiditatea absoluta. Ecuatiile 30 si 64 (mai tarziu) au fost folosite.

4.2.4. ECHIPAMENTUL DE CONTROL

Pentru a mentine o temperatura constanta data, vara cat si iarna un control proportional integral PI si un control proportional P sunt folosite. Controlul PI este

folosit pentru stabilizarea temperaturii din interiorul structurii, conform variatiei cursului prin tevile sistemului de incalzire. Controlul P este folosit pentru partea ventilatiei a sistemului de incalzire.

In sistemul de incalzire, valoarea simulata () este comparata cu o valoare de referinta. Valoarea de referinta poate fi stabilita in functie de cerintele plantei din interiorul structurii. Diferenta dintre valoarea de referinta si cea controlata () genereaza o eroare ER. Eroarea este aplicata controlului PI care genereaza o iesire (m, rata cursului prin tevi). Valoarea de iesire a controlului este schimbata cu o rata, proportionala cu integrala semnalului de eroare.

Aceasta iesire este aplicata sistemului de incalzire printr-o supapa de control pentru a face eroarea egala cu zero. Controlul P este considerat incet si incorect, doar poate fi folosit in multe cazuri. Controlul P este folosit pentru ventilatoare actionand in deschiderea si inchiderea ferestrelor in acord cu schimbarile temperaturii interioare. Valoarea de referinta a controlului este pus putin deasupra valorii de referinta a sistemului de incalzire si este comparata cu valoarea controlata a sistemului ().

Eroarea controlului P este aplicata controlului P care genereaza iesirea sistemului de control (rata deschiderii si inchiderii ferestrei). Valoarea de iesire creste ventilatia pentru ca sa tina semnalul erorii la zero.

5. PARAMETRII PRINCIPALI AI MODELULUI

5.1. SELECTAREA PRINCIPALILOR TIPURI DE PARAMETRI AI

MODELULUI SI ECUATIILE LOR

In contrast cu productiile in aer liber, conditiile de crestere ale culturilor din sere pot fi influentate de un numar de factori interconectati de exemplu temperatura si umiditatea aerului pot fi reglate cu ventilatoare, umidificatoare si un sistem de incalzire. Concentratia de a aerului poate fi ridicata de gaze fumigene sau de pur.

In serele mai sofisticate, este posibil sa influenteze nivelul si durata radiatiei solare cu ajutorul ecranelor si/sau lumina suplimentara. De asemenea pentru multe culturi, in zilele noastre, este posibil sa controlam mediul din jurul radacinii cu privire la temperatura si apa disponibila.

Printre factorii care influenteaza climatul serei si care interactioneaza reciproc sunt: lumina, temperatura, ventilarea, infiltrarea, condensarea, umiditatea etc. Cateva interventii cum ar fi: caldura, ventilarea si umbra actioneaza de preferinta pe un parametru particular dar de asemenea modifica si altele.

De exemplu incalzirea afecteaza temperatura dar si saturatia (cu apa) si ventilarea afecteaza atat temperatura cat si deficitul saturatiei, (deficitul presiunii vaporilor care este considerat diferenta dintre presiunea reala a vaporilor, si presiunea vaporilor saturati, VPD =(1-RH)), si modifica de asemenea concentratia de .

In problema determinarii valorilor de referinta climatice, trebuie sa luam in considerare si sa integram urmatoarele doua clase de parametri descriind:

a) situatia din afara serei, exprimata prin temperatura aerului, umiditate, radiatia solara, directia si intensitatea vantului.

b) situatia interna pe care vrem sa o evaluam prin masurarea cantitativa a temperaturii aerului, umiditatea, ventilare, temperatura solului si din energia eliberata din sistemul de incalzire.

Pentru a avea cea mai rationala decizie in controlul parametrilor care influenteaza climatul serei, este important sa luam in considerare nu numai cerintele plantelor dar si costul caldurii asigurate. Acest factor economic trebuie sa asigure o cheltuiala minima in consumarea energiei.

Acest studiu se concentreaza numai asupra estimarii rezultatului climatic datorat temperaturii, umiditatii si condensarii. Alte componente importante ale unei productii optime cum ar fi concentratia de si nutritia nu sunt luate in considerare, aici.

5.1.1. BILANTUL DE CALDURA PRIN STRUCTURA

In rezolvarea problemei de control climatic, este necesar sa luam in considerare parti variate a serei si componentele serei. Acestea includ bilantul de caldura si raspunsul culturii, aerul serei, acoperisul si structura solului serei. Emisfera serei de asemenea influenteaza energia si schimbarile de masa. Bilantul caldurii din sera este o cantitate multidimensionala care consta in transferul caldurii si schimburile de masa din si spre mediul inconjurator al serei. Parametrii implicati in procesele fizice ale serei sunt intr-un echilibru energetic cu mediul si toate impreuna sunt intr-un echilibru energetic cu mediul serei. Procesele fizice implicate in estimarea climei serei pot fi schitate dupa figura 5.1.. Bilantul caldurii din figura 4 poate fi exprimat:

(11)

unde: - cantitatea totala de energie (schimbul net de energie)[W];

= cantitatea de energie care intra in sera [W);

= cantitatea de energic care iese din sera [W].

Fig. 5.1. Transferul de energie prin structura, serei.

- energia de condensatie;= energia sistemului de incalzire;

= energia de infiltratie; =transmitere prin acoperis;

= radiatia solara; =evaporarea;

- energia de ventilatie; = transmiterea prin sol.

5.1.2. CASTIGUL PE CALDURA PRIN STRUCTURA

Determinarea necesarului castigului de caldura din sera, pentru diferite conditii interne si externe de clima, inseamna determinarea tuturor transferelor de caldura ale bilanturilor energetice ale parametrilor climatici. Ele depind de valorile coeficientilor de caldura transferata, de temperatura, de diferentele de umiditate dintre clima interna si externa, proprietatea materialelor, radiatia, factori de forma si de caracteristicile coronamentului plantelor din sera, caracteristicile instalatiilor de incalzire si racire.

Unii dintre factorii mentionati mai sus sunt constanti sau aproape constanti si pot fi usor determinati pin calcule. Altii depind de schimbarile de temperatura si de umiditate ceea ce inseamna ca trebuie sa fie determinati pentru conditiile schimbatoare sau asa zise dinamice.

Radiatia solara si temperatura aerului exterior le schimba valorile fara sa depinda de conditiile climatice din interior. Dar conditiile climatice interne se schimba sub influenta factorilor climatici externi. Cantitatea de energie care intra in sera este:

(12)

unde:

=energia produsa in interiorul structurii de sistemul de incalzire [W];

= castigul de caldura al radiatiei solare venite [W];

= transferul de caldura datorita transpiratiei din structura [W].

5.1.3. SISTEMUL DE INCALZIRE

Sistemul de incalzire, cum a mai fost mentionat in descrierea tipului sistemului de incalzire, consta dintr-un sistem de incalzire pe suprafata solului si un sistem de incalzire din tevi ingropate in pamant. Acest tip de combinatie de sistem de incalzire din sere apare in regiuni reci si moderate. Doi factori importanti determina folosirea sistemelor de caldura combinate pentru incalzirea serei:

a) sa scada costul investitiei prin introducerea unor solutii ieftine pentru a acoperi cererile de varf de scurta durata ale serei.

b) sa protejam plantele impotriva impactului radiatiei reci din atmosfera si din mediu in timpul perioadelor cu temperaturi foarte reci, in afara serei:

(13)

unde:

=castigul de caldura din sistemul de incalzire pe suprafata solului [W];

= castigul de caldura din sistemul de incalzire ingropat in sol['W].

Sistemul de incalzire a suprafetei solului

Pentru a calcula pierderea de caldura din tevi a sistemului de incalzire, lungimea tevilor a fost impartita in 5 sectiuni a 9m. Pierderea de caldura Ia iesirea fiecarei sectiuni a fost calculata rezultand apoi intreaga pierdere de caldura pe lungimea tevilor. Pentru simulare, pentru a asigura temperatura ceruta pentru cresterea plantei (12-28C) fost alese 60 de tevi de 40mm au pentru sistemele de incalzire a solului si a suprafetei. intreaga caldura furnizata de sistemul de incalzire a suprafetei solului poate fi evaluata ca:

(14)

unde: = transferul de caldura din lungimea unei tevi [W]; - poate fi definita dupa ecuatia caldurii interne transferata:

(15)

unde: m = masa dc fluid prin tevi [kg];

= capacitatea calorica a apei [J/kgK]=4180 J/kgK;

= diferenta de temperatura [KJ].

Fig. 5.2. Schema simplificata a intervalelor de divizare a tevii.

Pentru simulare, cu lungimea tevilor impartita in 5 unitati, transferul de caldura va fi definit de ecuatia de mai jos, unde este temperatura apei calde la iesirea sistemului de incalzire:

(16)

unde: = temperatura apei ce intra in teava [k] presupusa a fi 60 C.

Urmatoarea ecuatie este folosita pentru calcularea temperaturii la iesirea tevii:

(17)

unde: i=l 5 este numarul sectiunilor in care teava a fost impartita.

Temperatura pierduta prin teava este data de urmatoarea ecuatie pentru toate cele 5 sectiuni de tevi:

(18)

unde: - conductivitatea termica a materialului tevii [W/K], pentru cazul prezentat a fost aleasa, teava din plastic de =40mm si =l 1,52 W/K;

= temperatura din interiorul structurii [K];

- aria unei singure sectiuni a tevii [] data de .

Intreaga lungime a structurii este l=50m si lungimea tevii a fost considerata sa fie 45m, deci lungimea primei sectiuni este dl=9m.

Caldura furnizata de sistemul de incalzire a suprafetei solului este cam 175kW in timpul unei zile de iama obisnuite conform datelor de simulare. Aceasta caldura nu este suficienta sa acopere cerinta de incalzire prin structura, de aceea sistemul de incalzire a solului a fost de asemenea considerat.

Sistemul de incalzire a solului

Pentru modelarea sistemului de incalzire a solului, s-a presupus ca tevile acopera intreaga lungime a masei solului in acelasi mod ca si sistemul de incalzire a suprafetei. Caldura transferata prin teava a fost calculata dupa urmatoarea ecuatie:

(19)

In ecuatie, este temperatura la iesirea sistemului de incalzire a solului. Au fost alese 40 de tevi de 0,02 m diametru. Temperatura fluidului prin tevi este temperatura de intoarcere a apei fierbinti din sistemul de incalzire a solului. Temperatura poate fi estimata in acelasi fel ca si pentru sistemul de incalzire a suprafetei solului, folosind ecuatiile:

(20)

(21)

unde: = coeficientul de transfer al materialului tevii [w/K] unde =10,17[ K] si i=l 5, numarul sectiunilor in care tevile sunt impartite.

Pentru a calcula temperatura celor 5 unitati mici, temperatura a solului a fost calculata dupa ecuatia:

(22)

unde: = capacitatea calorica a solului [kJ/ K];

= grosimea unui strat [m];

=aria suprafetei solului [ ];

= temperatura in centrul fiecarui strat [K];

= temperatura la fiindul straturilor solului [K].

Dupa rezultatele simularilor, acest sistem de incalzire furnizeaza 35KW intr-o zi normala de iarna. Folosind atat sistemul de incalzire a suprafetei solului cat si cel al solului iama, in timpul zilei cand si radiatia solara este disponibila, o temperatura interna de 28C poate fi atinsa, in timpul noptii temperatura este de 15-17C.

5.2. RADIATIA SOLARA

Radiatia solara este unul din factorii importanti pentru cresterea plantelor. Radiatia este generata de un material apropiat de un corp negru. Radiatia solara primita pe suprafata Pamantului variaza cu anotimpul din cauza pozitiei geografice a Soarelui fata de Pamant.

De aceea este important sa calculam cat din aceasta energie poate fi folosita intr-un loc dat pe pamant intr-un moment al anului. invelisurile pot mari temperaturi prin cresterea temperaturii interioare, dar nu pot mari nivelul radiatiei solare. Umbra pentru scaderea nivelului radiatiei solare este cateodata importanta, dar in cele mai multe cazuri, cea mai importanta problema este minimalizarea scaderii radiatiei solare din cauza invelisurilor.

Soarele este cea mai mare sursa de energie din sistemul nostru, noi putem primi de la soare un echivalent de 5700K daca temperatura este calculata din radiatia soarelui. Radiatia solara directa primita pe o suprafata neteda la limita exterioara a atmosferei Pamantului este numita constanta solara . Valoarea acestei constante variaza, fiind un indicator al energiei care ajunge pe Pamant, si valoarea ei a fost stabilita in urma multor observatii de-a lungul anilor.

Cand radiatia solara trece prin atmosfera din jurul Pamantului, cateva parti din radiatie sunt absorbite iar altele sunt reflectate. Radiatia directa este aceea care vine direct de la soare iar difuza este aceea care este reflectata in atmosfera si vine din toate directiile cerului. In acest mediu doar radiatia solara directa a fost luata in considerare pentru ca joaca cel mai important rol in transferul de caldura dintre sera si soare. Pentru calculul ei se foloseste urmatoarea ecuatie:

(23)

unde: = transmisia de lumina a invelisului serei pentru radiatia solara; Dupa Popovski (1993) = 0,7, intr-o sera normala variaza in timpul zilei si in functie de anotimp dupa orientarea tuturor suprafetelor fata de soare. In acest model efectul unghiului a fost ignorat si este folosita valoarea medie zilnica a lui ;

= constanta proportiei radiatiei solare care intra in sera, folositoare pentru a creste temperatura interna, este in gama de 0,3 0,7, a fost aleasa o valoare de 0,4.

= suprafata serei []; pentru cele mai multe sere radiatia solara care prin perete este partial pierduta prin cea care paraseste peretele opus, deci aria folosita in ecuatia 23 este aria invelisului serei.

= intensitatea radiatiei solare care vine.

Urmatoarea ecuatie a fost folosita in estimarea intensitatii solare, I, [W/]:

(24)

unde: = constanta solara [W/], in cazul nostru 1800 [W/];

= argumentul variatiei sinusoidale a energie solare [sec];

= frecventa schimbarii periodice a radiatiei solare in 24h [rad], este data de .

Pentru partea negativa a variatiei sinusoidale, energia solara este considerata egala cu zero (vezi , si din grafic).

Cum lungimea zilei este diferita in timpul verii si iernii, au fost folosite ecuatii diferite pentru evaluarea energiei solare (vezi fig. 5.3. pentru variatia radiatiei solare iarna si vara).

Vara, lumina zilei se considera ca dureaza 14 ore. Se considera ca soarele rasare dimineata la ora 7 si ca apune la 21, ecuatia pentru radiatia solara este data de ecuatia 25.

In timpul iernii, lumina zilei se considera ca dureaza 10 ore, rasaritul la ora 7 si apusul la 17. Ecuatia 26 descrie radiatia solara iarna.

(25)

Fig. 5.3. Variatia radiatiei solare in timp de iarna si vara.

5.3. EVAPOTRANSPIRATIA

Transpiratia sau evapotranspiratia se presupune ca are loc din cavitatile substomatice din frunzele vegetalelor sau din suprafata solului alaturata lor. Schimbul de caldura ce se intampla poate fi estimat ca :

(27)

unde: = indexul ariei frunzei pentru o acoperire totala a podelei serei, LAI = 4. Reprezinta intreaga vegetatie din sera. In ea, rezistenta stomatica a frunzei plantei () este transformata in rezistenta coronamentului culturii.

= schimbul de caldura datorita transpiratiei [W/].

Schimbul de caldura, este dat de urmatoarea ecuatie:

(28)

unde: = constanta psihrometrica [Pa/C]. Dupa Hanan (1998) tabelul 5-32, constanta psihrometrica si inclinatia curbei presiunii vaporilor saturati sunt priviti ca factori de greutate care determina despartirea energiei radiante intre evaporare (caldura latenta) si convectie (caldura sensibila). Constanta psihrometrica arc diferite valori dupa variatia temperaturii aerului. Pentru simulare este data o valoare definita din tabel;

=rezistenta frunzelor si stomatelor la transferul de caldura [m/s]. Poate fi

presupusa constanta si valorile sale au fost alese dupa Hanan (1998). Aceasta este o constanta a plantei si valoarea ci variaza de la sute la mii de [m/s];

= presiunea vaporilor aerului din sera [Pa];

=presiunea vaporilor la saturatie Ia T in stare umeda [Pa].

Pentru simulare, este considerata variabila in 24h dupa temperatura de afara (dupa Hanan) si este data de ecuatia:

(29)

unde: P = presiunea atmosferica [Pa] 101,3[kPa] la nivelul marii;

= rata greutatii moleculare a apei si aerului 0,622;

= masa vaporilor pe unitate de volum a aerului din sera [kg/];

= densitatea aerului uscat, l,292[kg/].

Si este dat de :

(30)

unde: = canritatea totala a schimbului de vapori prin structura [kgj;

= volumul schimbului de aer per unitatea de arie a invelisului

[hr].

5.4. PIERDEREA DE ENERGIE IN SERA

Cantitatea de energie care paraseste sera poate li estimata cu urmatoarea

ecuatie:

(31)

unde: = caldura pierduta datorata caldurii 'conductive' pierdute [W];

= caldura pierduta datorata conductiei spre solul serei [W];

= caldura pierduta datorata condensarii [W];

= transferul de caldura datorat ventilatiei [W];

= transferul de caldura datorat infiltratiei [W].

5.4.1. TRANSFERUL PE CALDURA CONDUCTIVA

Cuvantul 'conductiv' este scris intre ghilimele pentru ca nu este doar 'conductiv' dar consta din toate transferurile de caldura prin invelisul serei, de la aerul intern la cel extern, transferul de caldura conductiv prin materialul invelisului si transferul caldurii radiate ce poate calcula folosind ecuatia empirica:

(32)

unde: =temperaturadin exterior [K];

h = coeficientul transferului de caldura conductiv [W/];

=aria invelisului serei [];

= temperatura aerului din interior [K].

In literatura americana, lucrarile standard furnizeaza coeficienti ai transferului de caldura pentru cele mai comune armaturi metalice lasand impresia ca anumite valori sunt constante (Hanan 1998). Pe langa, conductivitatea termica a materialului insusi coeficientul transferului de caldura (h) al oricarui material nu este constant si variaza substantial cu conditiile din interiorul si din exteriorul structurii. Alti factori care schimba coeficientul de transfer (h) sunt conditiile interne si externe ale serei cu privire la transferul de caldura convectiv. Acesta a fost examinat de multi investigatori (Bot 1983).

In afara structurii, caldura pierduta se considera in mod frecvent ca creste linear odata cu cresterea vitezei vantului. Altii au furnizat date sa arate nelinearitatea cu variatiile considerabile printre materialele armaturii ca o functie de viteza vantului.

Se presupune ca coeficientul transferului de caldura intre invelis si cerul extern a serei Venlo este o functie de viteza vantului (Bot 1983). In ecuatia de mai jos, coeficientul transferului de caldura combina efectele convectiei, conductiei si radiatiei termale.

Acest coeficient nu tine cont de infiltrarea sau aerul prin sparturi si interstitii prin geamurile sau usile serei. Pentru simulare, coeficientul transferului de caldura este calculat cu urmatoarea ecuatie, unde w este viteza vantului [m/s]:

h = 2,8 + 1,2W (33)

5.4.2. CALDURA PIERDUTA IN SOL

Fluxul caldurii in sol este complicat pentru ca el este asociat cu fluxul apei. in cele mai multe cazuri (Takakura 1993) este suficient sa consideram fluxul caldurii folosind conductivitatea termala aparenta, care include efectul fluxului apei. Apoi, fluxul apei in sol este similar cu cel din corpurile solide. in simulare pamantul este divizat in 3 straturi uniforme in adancime si temperatura din centrul fiecarui strat este si respectiv . Temperatura la stratul de jos este o conditie limita si temperatura la suprafata solului este considerata temperatura interioara a serei.

Dupa ecuatia bilantului energiei, schimbul energiei in timpul dt in sol este exprimat de dQ/dt, si este convertit la schimbul de temperatura folosind proprietatile masei:

(34)

In transferul de caldura prin conductie bilantul energiei poate fi scris ca: (35)

(36)

unde: =capacitatea calorica a solului [kJ/K];

= volumul stratului solului [];

= grosimea unui strat al solului [m];

=aria suprafetei soiului [];

= conductivitatea termica a solului, [J/smK], pentru simulare considerata a fi 1,52[J/smK];

= temperatura din centrul stratului respectiv [K];

= temperatura de la fundul straturilor solului [K].

Cele 2 ecuatii de mai sus pot fi rearanjate intr-o forma integrala:

(37) (38)

Din cauza ca straturile solului luate in considerare sunt impartite in mod neuniform, adancimea dz va fi diferita pentru cele trei straturi, in acest caz ecuatiile pentru cele 2 temperaturi vor fi:

(39)

(40)

Pentru iarna, in ecuatia pentru temperatura ,este adaugat castigul de temperatura de la sistemul de incalzire a solului:

(41)

Pentru simplificare, s-a presupus ca pierderea de caldura din sol are loc intre suprafata solului si primul strat, deci diferenta de temperatura va fi (Tjn-Ti). Temperatura T2 a fost calculata pentru o mai buna evaluare a temperaturii, in adancime in masa solului:

(42)

5.4.3. PIERDEREA PE CALDURA DATORATA CONDENSAT1EI

Oricand temperatura suprafetei interne a invelisului, Tc, este sub punctul de roua a aerului interior (punctul de roua este temperatura la care acrul nesaturat trebuie sa fie racit pentru a produce saturatia, care este , apa se va condensa.

Formarea unui strat de apa produce transfer de energie. Condensarea de obicei creste datorita temperaturii joase a invelisului. Cum 1kg de apa necesita 2,47x106J pentru a transforma lichidul in vapori (caldura latenta de vaporizare), aceeasi cantitate va fi eliberata la condensare pe suprafata interioara a invelisului. Ecuatia pentru transferul de caldura datorita condensarii poate fi:

(43)

unde: =entalpia vaporilor saturati [kJ/kg], pentru 20C, entalpia este 2453,48[kJ/kgJ;

C - cantitatea apei condensate pe invelis fkg/s].

C poate fi calculat ca :

(44)

=umiditatea absoluta a ambientului [kg/];

= umiditatea absoluta a invelisului [kg/];

= temperatura virtuala a aerului [K];

= temperatura virtuala a suprafetei invelisului, T = temperatura interioara a invelisului [K].

Temperatura virtuala a aerului din sera poate fi estimata cu urmatoarea ecuatie:

(45)

unde: P = presiunea atmosferica [k], care este 101,3 kPa;

= rata greutatilor moleculare a apei si aerului 0,622;

Temperatura virtuala a suprafetei invelisului, la temperatura interioara a invelisului [K] este data ca:

(46)

si ca:

(47)

Ecuatia de mai sus este o estimare a temperaturii suprafetei interioare a invelisului serei. Pentru un invelis de sticla de 4mm grosime; coeficientul transferului de caldura datorita conductiei este similar, in magnitudine, cu coeficientii transferului de caldura datorita convectiei structurii invelisului din interior si exterior.

Conductia si convectia transferului caldurii pot fi reprezentate ca o retea de rezistente, cu rezistente conectate in serie, si pentru o grosime mica a invelisului serei, coeficientul total al transferului de caldura este estimat ca:

(48)

unde: sunt coeficientii transferului de caldura pentru suprafata invelisului din afara serei, a sticlei, si a suprafetei din structura invelisului din interiorul structurii.

Considerand ca toti acesti coeficienti sunt aproximativ egali, este usor sa vedem ca, caldura invelisului suprafetei este impartita in 3 parti egale. In acest fel a fost gasita ecuatia 47.

Pentru a defini temperaturile virtuale folosite in ecuatia 45 si 46, diagrama psihrometrica (fig. 5.4.) poate fi folosita.

Aceasta diagrama da relatia intre temperatura in stare uscata , temperatura in stare umeda , temperatura virtuala , presiunea vaporilor e si punctul de roua .

Fig.5.4 Relatia intre

Dupa Hanan 1998,( fig 5.2.) relatiile dintre parametri pot fi descrise in felul ca la o temperatura T=18C si la o presiune a vaporilor ea de 1 kPa (punctul x), un

termometru uscat va fi racit sub conditii standard la punctul y (12C).

Aceasta este cea mai joasa temperatura a aerului care poate fi obtinuta prin racirea sistemului cu un sistem de racire. P reprezinta presiunea vaporilor daca aceeasi cantitate de aer a fost saturata la aceeasi temperatura (2,06 kPa) Q este temperatura la care mostra ar trebui racita pentru a fi saturata si Z este temperatura virtuala a mostrei, sau temperatura la care aerul ar trebui sa sc fi ridicat pentru ca sa aiba aceeasi densitate ca si aerul umed la i8C (33,3C).

Umiditatea absoluta la temperatura interioara a invelisului din structura este data ca:

(49)

unde; = densitatea aerului 1,292 [kg/m3];

= presiunea vaporilor la invelis [Pa].

Presiunea vaporilor la invelis , este definita ca:

(50)

unde: =rata umiditatii a invelisului din interiorul serei [%].

Cand temperature invelisului este la temperatura saturatiei si apa se condenseaza =100%;

= presiunea vaporilor saturati la temperatura interna a invelisului din structura.

5.4.4. PIERDEREA DE CALDURA DATORATA INFILTRATIEI

Infiltratia reprezinta pierderi de energie cauzate de schimbul de aer prin sparturi. Una dintre cele mai detaliate investigatii asupra infiltratiei a fost facuta de dezvoltarea Okada si Takakura (1973). Dupa acesti autori, rata de infiltratie poate fi bazata pe schimbul vaporilor de apa pe o unitate de invelis (acoperis si pereti). Acest volum de vapori de apa este direct proportional cu viteza vantului si diferenta de temperatura dintre inauntrul si afara serei (vezi si ecuatia 56).

Transferul de caldura datorata infiltratiei poate fi estimata ca:

(51)

unde:

= transferul de caldura datorat infiltratiei [W];

= caldura specifica a aerului uscat [J/kgK]=1,01x103 [J/kgK];

=caldura latenta a vaporizarii [MJ/kg]=2,45[MJ/kg];

= diferenta de umiditate specifica aer ud [kg/kg] din interior si exterior;

= volumul schimbului de aer per unitatea de arie a invelisului [s].

este definit ca:

(52)

unde: = diferenta temperaturii din interior si din exterior;

= viteza vantului [m/s].

Diferenta de umiditate specifica este definita de urmatoarea ecuatie:

(53)

(54)

unde: = presiunea vaporilor aerului din interiorul structurii [Pa];

= presiunea vaporilor aerului din exteriorul structurii [Pa].

(55)

In ecuatia de sus este umiditatea relativa a aerului din exteriorul structurii. A fost definita pentru simulare ca o variabila in timp de 24h, luata din datele meteorologice. Elementul a ecuatiei este presiunea vaporilor de apa la saturatie care variaza dupa temperatura uda sau uscata a aerului.

5.4,5. TRANSFERUL DE CALDURA DATORITA VENTILATIEI

Procesul de ventilatie este in general la fel cu cel de infiltratie. Diferenta principala este ca ventilatia naturala este folosita pentru a scadea in mod deliberat, temperatura din interiorul serei, pe cand infiltratia este o consecinta a incapacitatii materialelor cladirii serei, de a forma o etansare ermetica. Este reprezentata de urmatoarea ecuatie:

(56)

unde:

= transferul de caldura datorita ventilatiei [W];

= fluxul aerului datorita ventilatiei [/s].

si este definit ca:

unde:

= procentul deschiderii ventilatorului [%];

= panta curbei reprezentand variatia fluxului ventilatiei impartit la de viteza vantului ca o functie de deschiderea ventilatorului , [/s], dupa Hanan 1998, fig. 4-67 .

=aria ventilatorului [] care dupa Smith (1988) ar fi cam 16% din aria podelei, pentru cazul prezentat. = 144[].

5.4.6. BILANTUL VAPORILOR

Vaporii de apa din interiorul si exteriorul serei pot fi transferati spre infiltratie, ventilatie, transpiratie si condensare. Cantitatea totala de vapori de apa schimbata prin structura poate fi descrisa prin urmatoarea ecuatie:

unde:

= cantitatea totala de vapori de apa schimbata in sera [kg/s];

= schimbul vaporilor de apa datorita infiltratiei si ventilatiei [kg/s];

=transferul vaporilor de apa datorita transpiratiei [kg/s];

= cantitatea de vapori de apa eliberati prin condensare [kg/s].

este definit de:

(59)

unde: =fluxul aerului datorita ventilatiei [/s];

= fluxul aerului datorita infiltratiei [/s],

si este definit de:

(60)

Cantitatea vaporilor de apa transferati datorita evaporarii este data ca:

(61)

unde: =transferul caldurii datorita transpiratiei [W];

=entalpia aerului umed [kJ/kg].

Cantitatea vaporilor de apa eliberati datorita condensarii poate fi estimata ca:

(62)

unde: C [kg/s] este rata condensarii, este data ca:

(63)

In ecuatia 64 elementul , reprezinta umiditatea absoluta a aerului in exteriorul structurii:

(64)

Cum cantitatile de mai sus sunt in forme derivate definind variatia bilantului vaporilor de apa la timpul t, ecuatia trebuie integrata pentru a afla cantitatea totala de vapori transferata prin sera:

unde: = cantitatea totala de apa schimbata in sera [kg].

Umiditatea relativa [%], din sera este definita de urmatoarea ecuatie:

(66)

5.4.7. TEMPERATURA INTERIOARA

Dupa determinarea masei totale si a bilantul energiei din sera, temperatura interioara poate fi calculata dupa urmatoarea ecuatie:

(67)

unde: =temperatura interioara a serei [ C];

= transferul total de caldura a structurii [W];

= volumul serei [];

= capacitatea calorica volumetrica a aerului 1200 [J/K].

5.4.8. CONTROLUL TEMPERATURII

S-a mentionat ca, in loc sa se asigure temperatura interioara a structurii cand clima din exterior variaza, controlerul PI este folosit pentru a regla rata debitului fluidului prin sistemul de incalzire cand temperatura este prea joasa si un controler P este folosit pentru a reduce temperatura interioara deschizand sistemul de ventilare.

5.4.9. CONTROLUL SISTEMULUI DE INCALZIRE

Iesirea controlerului PI este data ca:

(68)

unde: m = rata debitului sistemului de incalzire [kg/s];

= eroarea controlerului PI=SP- , adica diferenta dintre valoarea de referinta SP si valoarea controlata .

= constanta de proportionalitate a controlerului;

= integrala semnalului de eroare erorii care este definita ca:

unde: = constanta controlerului integral [s];

= conditia initiala a integratorului.

Exista mai multe feluri de a determina constanta a acestor controlere luand in considerare criteriul performantei; a pastra eroarea cat mai mica posibil, a realiza un timp scurt de reglaj; sa minimalizeze integrala erorii pana cand procesul s-a stabilit in punctul dorit.

5.4.10. CONTROLUL VENTILATIEI

Iesirea controlerului P folosit pentru ventilator este dai ca:

(71)

unde: = valoarea de referinta pentru parametrul controlat [C];

= constanta proportionalitatii controlerului.

In controlerul P regulatorul este variat direct in functie de deviatia de la valoarea de referinta . Eroarea , dintre valoarea si iesirea reala este multiplicata cu castigul .

La amandoi controlerii PI si P este necesar a se lua in considerare ceva limite ale iesirii generate de controler. Aceasta se rezolva tinand seama de regulatorii din sistemul de control.

5.5. DESCRIEREA PE SCURT A ACSL-ULUI

Software-ul folosit pentru modelul serei este codat ACSL. ACSL este abrevierea de la Limbaj pentru un Sistem de Simulare Continua. Pentru utilizator, ACSL furnizeaza o unealta analitica usor de folosit pentru modelarea sistemelor dinamice. Pentru programatorul experimentat, ACSL furnizeaza acces la multe programatoare care grabesc dezvoltarea programului. ACSL investigheaza comportamentul dinamic al sistemelor fizice descrise dc ecuatii diferentiale.

Sistemul de simulare consta din doua parti: un program de definire a modelului si comenzi de analize in timpul de rulare a programului. Translatorul ACSL schimba definitiile modelului in programe de simulare FORTRAN pentru a folosi bibliotecile de programare ACSL pentru a citi si interpreta comenzile interactive si a executa analiza modelului.

Partea cu definirea modelului contin specificatiile matematice ale sistemului continuu dinamic. Corpul definirii modelului contin conditiile initiale anterioare derularii simularii.

Sectia DINAMICA contine orice numar de sectiuni DISCRETE si DERIVATE. in sectiunea DERIVATA ecuatiile diferentiale trebuie sa fie incluse pentru a determina fiinctionarea in timp a modelului. in ACSL ecuatiile diferentiale sunt specificate in forme integrale cu operatorul integrator: ACSL:INTEG.

Translatorul ACSL nu transforma numai definirea modelului in FORTRAN ci si modelul insusi este analizat din punctul de vedere de a fi o simulare a unui sistem fizic (diagnosticurile pot indica probleme cum ar fi erorile de sintaxa, parametri lipsa). In timpul analizelor translatorul construieste un dictionar cu toate numele ce apar in model, ca variabilele sa fie schimbate mai tarziu, tiparite sau copiate.

5.6. IMPLEMENTAREA MODELULUI IN SIMULAREA CONTINUA

Modelele sunt clasificate in mai multe categorii. Pentru ca sa intelegem cum sa construim un model, structura fizica este cel mai important aspect de luat in considerare. Modelele pot fi clasificate dupa structura lor in: concentrate sau distribuite, dinamice sau statice si lineare sau neliniare.

Pentru a simplifica modelul, se folosesc modele concentrate in care o variabila este atribuita pentru fiecare obiect pentru a exprima o valoare medie. De exemplu in mod normal, o variabila este folosita pentru temperatura aerului din interiorul serei.

Daca exista un gradient mare de temperatura intr-un obiect, mai mult de 2 variabile sunt atribuite unui obiect cum ar fi un strat al solului, chiar daca modelul este unidimensional. Stratul solului este impartit in mai multe straturi si in fiecare strat al solului temperaturile sunt definite separat.

Simularea unui sistem linear sau a unuia neliniar care este dependent de timp adica dinamic si continuu, poate fi facuta folosind ACSL. O analiza tipica bazata pe simulare a climei serei evalueaza influenta factorilor externi si interni asupra temperaturii din interiorul structurii.

Sectiunea derivativa a programului contine multe ecuatii diferentiale care determina in timp continuu performantele succesive ale modelului. Multi factori pot fi analizati ca variatii in timp ale infiltrarii, ventilarii, condensarii si umiditatii care influenteaza puternic climatul intern.

Exemplu de model - bilantul vaporilor. Punctul important in descrierea unui model este acela ca conceptul sau de baza este o scurgere de fluid. De exemplu, poate fi caldura, vaporii de apa sau dioxidul de carbon in aer. Deci regula de baza este conservarea acestor componente. Aici va fi examinat bilantul vaporilor de apa din sera. Modelul, fiind unul dinamic valorile variabilelor care descriu comportarea sistemului se schimba in timp:

(72)

In ecuatia de mai sus, se poate vedea ca cantitatea totala de apa schimbata prin sera este in forma derivativa, deci trebuie folosita o functie INTEG pentru a o integra in raport cu timpul, disponibila, cu alte functii in ACSL. Operatorul INTEG face ca variabile de stare sa fie calculate dupa un algoritm de integrare. Pentru a integra ecuatia de mai sus a fost folosit algoritmul de integrare Runge-Kutta, dar pot fi alese si alte metode de integrare cum ar fi cele ale lui Adams-Moulton sau Gear. Pentru a calcula succesiunea in timp a schimbului de vapori de apa din sera, integrarea ecuatiei in forma derivata este executata in timp dintr-un punct initial stiut:

unde: = cantitatea totala a vaporilor de apa [kg] definita ca:

(74)

Primul argument in ecuatie, pentru este forma derivativa a schimbului de vapori de apa si al doilea termen este conditia initiala pentru . Rata schimbului, a fiecarei componente in ecuatia 72 este exprimata in program ca o combinatie algebrica a componentelor vectorului de stare .

Ecuatiile de integrare ale programului formeaza modelul; alte instructiuni in program sprijina aceste ecuatii sau controleaza executia programului.

6. SIMULARI PENTRU CONDITII TIPICE DE IARNA SI VARA

6.1. VARIATIA TEMPERATURII IN INTERIORUL STRUCTURII PE TIMP DE IARNA SI VARA

Cum a mai fost explicat, conditiile de clima din sera sunt determinate de caldura si de transferul de masa din structura, de conditiile climatice externe, si de prezenta sistemului de incalzire.

Cultivatorul poate nu reuseste sa mentina temperatura optima pentru ca lumina soarelui este slaba sau capacitatea sistemului de incalzire este insuficienta. Temperatura din sera variaza cu speciile plantelor si cu cerintele lor pentru o buna dezvoltare.

Temperatura interioara. Pentru simulare, temperatura interioara a fost calculata dupa bilantul caloric din structura - adica si schimbul total de caldura prin sera. Deci, temperatura aerului din interior este influentata de procese ca: umiditatea, conductia, ventilatia, infiltratia si condensarea care au loc in sera.

Se poate vedea in fig. 6.1. si 6.2. ca temperatura interioara urmeaza o forma periodica, foarte tare influentata de variatia radiatiei solare ( ). Temperatura

interioara, iarna variaza intre 14C noaptea si 28C in timpul zilei. Iarna, ca sa se ajunga la temperatura interioara, un sistem de incalzire a suprafetei solului a fost luat in considerare pentru a se adauga incalzirii solului.

Temperatura interioara a fost realizata pentru variatia temperaturii exterioare intre - 8C noaptea la 28C in timpul zilei. Pentru simulare, temperatura exterioara a fost definita intr-un tabel dupa datele meteorologice din Romania pentru o zi specifica in Iulie, pentru vara si o zi in Februarie, pentru iarna.

Temperatura solului. Si temperatura solului a fost simulata. Solul a fost impartit in 3 straturi inegale, cu temperaturile si in interspatiile stratului central si o temperatura la capatul straturilor. Pentru simularea climatului iernii, temperatura a solului a fost luata in considerare temperatura furnizata de sistemul de incalzire a solului in interiorul serei. Pentru vara a fost considerata temperatura , temperatura stratului solului la adancimea .

Se poate vedea pe parcelele de pamant, ca atat si urmeaza o variatie periodica, ca forma. Iarna, temperatura la suprafata solului variaza de la 19C noaptea Ia 25 C ziua. in timpul verii, chiar daca sistemul de incalzire nu este folosit, temperaturile si au crescut din cauza radiatiei solare din timpul zilei. Temperatura la suprafata solului variaza intre 22 ˚ C noaptea si 31˚ C ziua. Temperatura considerata la adancimea a suprafetei solului, variaza intre 21,5C noaptea la 26C in timpul zilei.

6.2. TRANSFERUL VAPORILOR PRIN STRUCTURA SI DIN EVAPO-

TRANSPERATIA IARNA SI VARA

In capitolul 4, au fost prezentate ecuatiile matematice din bilantul vaporilor de apa din structura. Transferul de vapori de apa are loc in solul serei si in structura aerului. Acest transfer al vaporilor de apa este cauzat de factori cum ar fi: infiltrarea, ventilatia, umiditatea (transpiratie) si condensarea.

Umiditatea relativa. Unul dintre cei mai importanti factori, pentru a fi controlati este umiditatea relativa din interiorul structurii (), pentru ca nivelul atmosferic al vaporilor de apa influenteaza in mod semnificativ cresterea si dezvoltarea plantelor.

Rata cresterii, compozitia si forma pe care planta le obtine, sunt intr-un mare grad, controlate de umiditate. Ea are si un efect direct asupra bolilor (umiditatea mare cauzeaza mucegai pe frunzele plantelor; umiditatea redusa usuca radacinile plantelor si scade procesul de fotosinteza).

Pentru simulare, s-a asumat ca plantele acopera in intregime podeaua serei (in acest caz indexul ariei frunzelor este LAI=4, care este folosit pentru a schimba

rezistenta stomatei frunzei intr-o rezistenta a recoltei coronamentului).

Rata umiditatii descreste cand temperatura creste daca apa din aer este constanta. Iarna umiditatea relativa RH, creste noaptea pana la 65% si ziua, cand radiatia solara este prezenta, rata umiditatii este scazuta pana la 36% fig 6.5. Vara, situatia este aproape similara, umiditatea relativa creste noaptea pana Ia 65-68% si scade in timpul zilei la 30% fig 6.6.

Fig.6.5 Variatia umiditati relative iarna.

Fig.6.6 Variatia umiditatii relative vara.

Ar trebui remarcat ca, vara, umiditatea cea mai joasa din timpul zilei este mentinuta mai multe ore, cu atat mai mult cu cat radiatia solara este disponibila.

Transferul vaporilor de apa cauzat de ventilare si infiltrare. Schimbul direct de aer prin deschiderile serei este cauzat de ventilare si infiltrare. Cantitatea vaporilor de apa eliberati din sera datorati ventilatiei este proportional cu viteza vantului de afara, si aria suprafetei ventilatorului, diferenta dintre masa vaporilor pe unitatea de volum a aerului intern si extern.

Pentru simulare, ventilatorul a fost considerat activ vara, la fel si iarna. Deschiderea sa este controlata de un controler P. Dupa datele simularii, cantitatea vaporilor de apa eliberati din sera este semnificativa vara, atat noaptea cat si ziua, daca temperatura interioara creste peste cca. 32C a punctului fixat de controlerul P. Pentru simulare, aria ventilatorului a fost considerata 16% din aria totala a podelei structurii.

Controlerul P deschide ventilatorul oricand temperatura interioara este mai mare decat controlerul P al punctului fixat si inchide ventilatoarele cand aceasta temperatura este sub punctul de temperatura fixata.

Conform datelor simularii, se poate vedea in fig. 6.6. ca iama nu exista schimb al vaporilor de apa datorita ventilarii din timpul noptii, dar ziua, cand temperatura interioara creste din cauza radiatiei solare, controlerul P deschide ventilatorul si o cantitate maxima de 3,8xkg/s de vapori de apa este eliberata.

Schimbul vaporilor de apa datorat transpiratiei. Vegetatia din interiorul structurii poate fi considerata un corp bine definit, care schimba energie, in principal, vaporii de apa cu aerul serei.

Clima serei si plantele interactioneaza in acest fel. Cu o cultura asemanatoare este transformat intr-un climat umed cald si tropical.

Deci, transpiratia plantei are un rol determinant in conditiile climatului intern. Pentru cazul descris, s-a asumat ca vegetatia, complet fertila acopera in intregime solul (indexul ariei frunzelor LAI=4,0). Schimbul de vapori, datorat transpiratiei a fost estimat luand in considerare rezistenta plantelor la transportul de apa la suprafata frunzelor si diferenta de presiune a vaporilor la saturare (la suprafata invelisului) si a aerului intern.

Simularea ratei de transpiratie din interiorul structurii este ceruta si de faptul ca modificarile in transpiratie vor modifica echilibrul energetic din interior, de exemplu o crestere in transpiratie va da nastere la racire, pentru a modifica bilantul de apa a serei.

S-a asumat ca cantitatea vaporilor de apa eliberati de evapo-transpiratie, este in proportie inversa rezistentei schimbului de vapori din instalatie la aerul intern. Se poate vedea in fig. 12 ca acest transfer este destul de important. Vaporii de apa eliberati de transpiratie urmaresc o variatie ca forma periodica, ca si radiatia solara, cea mai importanta in timpul zilei cand radiatia solara creste rata transpiratiei (4,8x kg/s iarna).

Schimbul vaporilor de apa, datorat condensarii. Aerul serei schimba energia la fel ca si condensarea a vaporii de apa din suprafata interioara a invelisului si invelisul schimba energia cu aerul din exterior.

Oricand, temperatura suprafetei invelisului interior este sub punctul de condensare al aerului intern, apa se condenseaza. Condensarea, de obicei creste datorita temperaturii joase a invelisului, in acest caz e de asteptat ca schimbul vaporilor de apa datorat condensarii va fi mai ridicat iarna decat vara. Cantitatea apei condensate depinde de umiditatea aerului si temperaturii.

Pentru simulare, o cantitate de vapori de apa eliberati prin condensare invelisului serei a fost definit de folosirea temperaturii virtuale la suprafata invelisului interior, din structura si de aerul din sera.

Aceste temperaturi depind de £ temperatura din interiorul structurii si de presiunea vaporilor de apa ai aerului din interiorul structurii. Dupa simulare, datele unei condensari nu are loc vara (aceasta inseamna ca temperatura invelisului suprafetei interioare este deasupra punctului de condensare a aerului intern, aceasta temperatura fiind definita ca temperatura la care aerul nesaturat trebuie racit pentru a produce saturatia).

Iarna, cantitatea vaporilor de apa schimbati de cei din condensare, urmareste o variatie de o forma neregulata, mai semnificanta noaptea si in special cand soarele apune cu valoare de varf 0,6x10'2 kg/s. Nu exista condensare in timp ce radiatia solara e disponibila, si condensarea creste din nou dupa ce soarele apune, fiind aproape constanta, cea. 0,2x10'2 kg/s in timpul noptii.

6.3. PRIN STRUCTURA TRANSFERUL ENERGIEI, IN TIMPUL

VERII SI IERNII

Castigul de caldura din sera. Pentru simulare a fost considerat ca acest castig de caldura din sera e datorat radiatiei solare, caldura din sistemul de incalzire si transferul de caldura din evapo-transpiratie.

Fig6.9 Castigul de energie din sera iarna.

Simularea radiatiei solare. Cum s-a discutat in capitolul 4, radiatia solara pentru simulare, a fost considerata sa varieze ca o functie sinusoidala, considerand ca la partea negativa a variatiei radiatiei solare este zero.

Lungimea diferita a zilei si a disponibilitatii radiatiei solare iarna si vara au fost de asemenea luate in considerare. Vara, castigul de caldura, de varf al soarelui este de 330kW (fig. 6.8.) vara, si 400kW (fig. 6.9.) iarna. Radiatia solara este o influenta importanta in toate celelalte schimbului de caldura prin sera.

Simularea castigului de caldura din sistemul de incalzire. Castigul de caldura din sistemul de incalzire joaca un rol important in mentinerea temperaturii cerute, din interior. Iama, sistemul de incalzire a suprafetei solului a fost considerat pe langa sistemul de incalzire a solului.

Pentru a controla caldura furnizeaza de sistemul de incalzire s-a folosit un controler PI. Caldura ceruta este mai putina in timpul zilei cand radiatia solara este disponibila (valoarea de varf, iarna este de 180 kW iar vara noaptea este de 70 kW).

Simularea castigului de caldura datorat evaporarii. Castigul dc caldura din procesul de evapo-transpiratie din structura urmareste o variatie periodica, similara cu radiatia solara.

Procesul transpiratiei este mai intens ziua din cauza energiei solare. Dupa datele de simulare (fig. 6.8. si 6.9.) transferul de caldura cauzat de evapo-transpiratia variaza intre 20 kW si 120 kW iarna si 40 kW si 180 kW in timpul verii.

Pierderea de caldura din sera. Energia pierduta a fost estimata ca un rezultat al convectiei si conductiei din invelis si din solul structurii, condensatiei, infiltratiei si ventilarii a fost echilibrata cu schimbul de caldura din sistemul de caldura, radiatia solara si transferul de caldura din plante cu aerul intern datorat transpiratiei, balanta energiei are un rol important nu numai in mentinerea caldurii si sistemelor de ventilatie si eventual un sistem de racire evaporativa.

Datele simularii transferului de caldura datorat conductiei. Dupa simulare (fig. 15) conductia transferului de caldura din invelis urmareste o variatie periodica in timpul iernii.

Se poate vedea in interactiunea QK ca aceasta suma de energie pierduta este ridicata in timpul zilei (maxim 280kW din energie este pierduta) si nu este ridicata dar totusi inca importanta in timpul noptii (200 kW).

Vara, conductia transferului de caldura urmareste o forma neregulata (fig. 6.10) caldura pierduta este ridicata ziua, cand radiatia solara este disponibila ( in jur de 18 kW) si foarte joasa noaptea (in jur de 10 kW).

Explorarea caldurii pierdute este mai putin conductiva vara decat iarna este gasita in variatia influentei factorilor (diferenta temperaturii joase si de asemenea viteza joasa a vantului).

Fig.6.10 Energia pierduta din sera iarna.

Fig.6.11 Energia pieduta din sera vara.

O suma importanta de energie este pierduta din interiorul serei la solul serei ()- Si iarna si vara (fig. 6.10. si 6.11.) transferul caldurii urmareste o forma periodica, variatia creste ziua si scade noaptea.

Dupa datele simularii, iarna valoarea de varf de 60 kW poate fi atinsa. Noaptea, transferul caldurii la sol creste datorita sistemului de incalzire care actioneaza pentru a avea mai multa caldura in loc sa mentina temperatura interioara ceruta. Vara, pierderea de caldura a solului variaza aproape in acelasi fel, mai multa energie fiind pierduta in timpul zilei si mai putina noaptea.

Datele simularii transferului de caldura, datorata infiltrarii si ventilatiei.

Transferul de caldura din structura datorat infiltrarii si este mai importanta iarna. Se poate vedea din fig. 6.7. ca iarna, caldura pierduta prin infiltrare este aproape constanta, noaptea (50 kW), creste pentru cateva ore dupa rasaritul soarelui si in timpul zilei. Vara, infiltrarea caldurii pierduta este mai mult constanta atat ziua cat si noaptea (2-3 kW).

Transferul de caldura datorat ventilarii urmareste aproape aceeasi forma periodica ca si radiatia solara (fig. 6.10. si 6.II.). Vara transferul de caldura datorat ventilarii creste pentru ca si radiatia solara creste, ajungand o valoare de varf de 600 kW.

Noaptea, transferul de caldura este deschis, pentru ca si temperatura interioara este ridicata, destul pentru a datora radiatia solara, acumulata ziua. Iarna, controlerul P actioneaza asupra ventilatorului, deschizandu-1 doar ziua, daca temperatura interioara este prea mare. Dupa datele simularii acest lucru se intampla aproape timp de 5 ore ziua, cand radiatia solara este disponibila. Maximum de energie pierduta este de 220 kW.

Datele simularii transferului de caldura datorita condensarii. Se stie ca apa se va condensa atunci cand umiditatea absoluta a aerului intern din sera este deasupra umiditatii absolute a aerului suprafetei invelisului din structura.

Suma de energie pierduta datorita condensarii creste daca temperatura invelisului este mai joasa decat temperatura aerului intern. Dupa aceste date, vara nu are loc nici o condensare. Iarna exista condensarea aerului la invelisul structurii, in principal ziua.

Bilantul energetic al serei este esential in determinarea necesarul de energie termica(si gasirea de modalitati pentru suplimentare, daca e cazul), in stabilirea strategiilor de control si monitorizare, in gasirea cailor de reducere a consumului de energie, in dimensionarea capacitatii sistemului de incalzire etc.

Pe langa determinarea cererii, necesarului pentru incalzire sau racire modelul ofera avantajul observarii consecintelor influentei variatiei unei marimi. De asemenea, daca sunt disponibile date experimentale, atunci se poate determina sarcina termica sezoniera sau anuala.Acest model permite nu numai urmarirea marimilor componente si a cererii de putere termica, ci si examinarea efectelor aplicarii virtuale a masurilor de economisire a energiei, cum ar fi: schimbarea materialului transparent de acoperire,aplicarea unei cortine termice, alegerea diferita a temperaturii interioare de referinta (care trebuie mentinuta constanta), schimbarea dimensiunilor constructiei etc. Cu foarte putine modificari si prin crearea unor baze de date, modelul poate fi generalizat pentru simplificarea alegerii constructiei (structurii), a materialelor, a dimensiunilor sau a altor marimi din model si pentru examinarea influentelor asupra cererii totale de putere termica.

S-a descoperit (asa cum era de asteptat) ca cele mai uniforme profile verticale de temperatura sunt create de intalatiile de incalzire pozitionate in-sol sau pe-sol. O solutie buna o reprezinta combinarea ventilatoarelor cu jet cu incalzirea prin pardoseala, deoarece permite un raspuns rapid la schimbarile climaterice exterioare, o crestere rapida a temperaturii interioare si o protectie buna impotriva unei eventuale condensari sau inghet. Singurul obstacol in utilizarea unor astfel de sisteme poate fi o particularitate legata de cresterea plantelor in acel mediu.

Deficienta, neajunsul, observat la profilele de temperatura simulate reprezinta o mica diferenta de temperatura intre mediul exterior si cel interior; probabil ca o temperatura exterioara mai joasa ar fi aratat niste variatii mai dinamice ale profilelor. Motivul adoptarii acestor conditii fixe (stricte) este legat de datele experimentale avute la dispozitie, astfel incat sa se poata verifica daca simularea merge pe o directie buna.

Modelele exacte si flexibile de calcul pe PC pot fi niste instrumente de dimensionare extrem de valoroase atunci cand sunt aplicate la studiul comportarii termice a serelor si pot oferi raspunsuri la multe probleme, fara a fi nevoie de timpul si cheltuiala implicate de cercetarea experimentala. Cu un asemenea model, performanta termica a diverselor tipuri de sisteme de incalzire poate fi mai bine inteleasa si se poate determina si efectul produs de schimbarea parametrilor de proiectare (dimensionare). Totusi, procesul de definire a problemei si reglare(calibrare) a mediului pentru a produce rezultate acceptabile (reale) necesita un efort imens si timp indelungat. Acesta este motivul pentru care o astfel de abordare nu este aplicabila in practica sau limiteaza aplicatiile CFD doar in scopul cercetarii stiintifice. Dar dezvoltarea progreseaza foarte rapid si, probabil, in viitorul nu prea indepartat, astfel de aplicatii vor fi posibile intr-un mediu mai prietenos pentru a permite intensificarea, sporirea, rezolvarii problemelor practice.

Economia de energie dintr-o sera poate fi obtinuta prin diverse metode si tehnici care pot fi aplicate, in general, constructiilor noi, dar si ca optiuni de retehnologizare a unora existente. Posibilitatile de economisire a energiei sunt la latitudinea materialelor sticloase (geamurilor), a cladirii serei, selectarea locatiei, aplicarea unor invelitori termice si a izolatiei mobile, sursa de energie si echipamentul de conversie si alegerea corespunzatoare, potrivita, a instalatiei de incalzire. Cel mai mare potential de reducere a consumului de energie il au invelitoarele termice, mai mult de 40 %, dar trebuie avut grija ca montajul sa fie corect.

Instalatia de incalzire furnizeaza energia termica necesara proceselor vitale ale plantei, creand profile termice caracteristice, in plan vertical si orizontal. Aceasta energie termica trebuie furnizata in primul rand plantei, astfel incat sa fie evitate pierderile de caldura catre mediul exterior. Aceste cerinte pot fi satisfacute atunci cand schimbatoarele de caldura sunt plasate la nivelul solului, in acest fel permitand aerului cald mai intai sa treaca de-a lungul culturii si abia dupa ce a transferat plantei o parte din energia pe care o continea sa se apropie de acoperisul serei.

Pardoselile si bancurile calde furnizeaza o caldura uniforma peste tot in sera, dau o miscare modesta a aerului la nivelul culturii si prin coronamentul plantelor si elimina microclimatele cu umiditate mare si temperature mici. Pardoselile si bancurile calde, in combinatie cu conductele de incalzire perimetrale si cele suspendate de acoperisul serei, elimina nevoia de folosire a sistemului de tubulatura de polietilena suspendat. Totusi, distributia uniforma a temperaturilor nu este singurul parametru al mediului afectat de circulatia aerului interior. Un aer care se misca cu o viteza de aproximativ 0,75 m/s poate fi folositor in distribuirea CO2 plantelor si la reducerea diferentelor microclimaterice la nivelul suprafetei frunzei. Aceasta idee a condus si la cresterea utilizarii ventilatoarelor orizontale in scopul crearii unei miscari a aerului prin coronamentul plantelor.

Referitor la analiza celor doua medii (interior si exterior) ceea ce este notabil e faptul ca, in general, parametrii care variaza cel mai mult sunt intensitatea radiatiei solare (cea globala si, implicit, cea interioara) si viteza vantului, in timp ce ceilalti(temperaturile si umiditatea relativa) au o variatie usoara in timp. Dar cum radiatia solara este nula pe timpul noptii, doar viteza vantului este ca marimea care are cea mai rapida variatie. Temperaturile aerului interior au prezentat cele mai mari variatii in functie de variatia intensitatii solare, dovedindusi astfel influenta directa asupra microclimatului din sere. Dupa apusul soarelui, temperaturile interioare se modifica in functie de cele exterioare, dar variatiile sunt intr-o gama foarte redusa.

Pierderea de caldura datorat condensarii urmareste o forma variata si neregulata. Valoarea de varf a pierderii de caldura este de 13 kW. Transferul de caldura dat condensarii incepe prin cresterea caldurii dupa apusul soarelui- Noaptea, scade din nou cand umiditatea temperaturii interioare, scade gradual.

Cu toate aceste pierderi de caldura din sera, energia pierduta totala urmareste o variatie periodica, constanta noaptea si crescanda ziua. Valoarea de varf a pierderilor de caldura are aceeasi variatie periodica, valoarea de varf ajunge pana la 580 kW la ora 24 (noaptea, vezi fig. 6.10.).

7. CONCLUZII

Modelul climatic al serei descris aici va fi ca un rol important in prevederea cerintelor de energie si modelul cel mai bun al incalzirii si ventilarii sistemelor pentru demonstrarea proiectelor de sera, propuse din localitatea Livada.

Procesul simularii poate fi extins la analizele concentrarii CO2, care are un rol critic in procesul fotosintezei plantelor. Impreuna cu cativa specialisti din horticultura analiza poate fi usor facuta. Modelul poate fi de asemenea extins si la analiza procesului de irigatie din sera, pentru o estimare mai buna a umiditatii relative a aerului din structura.

Simularea este o metoda exacta pentru calcularea factorilor care influenteaza clima interna a serei. Aceasta poate calcula in aflarea tehnicilor pentru a imbogati situatia economica, negativa, nu doar pentru sera care sa construit la Livada dar si pentru alte sere din Romania. Simularea investigarilor schimbarilor climatice si alti parametri influentand clima serei, fara costul de a construi o sera si fara a testa raspunsul plantelor din sera.

Inainte ca sera experimentala din Livada sa fie construita, a fost recomandata o analiza a comportamentul sistemului diferitelor conditii climatice existente la fata locului, pentru ca sa se decida consumul de energie si cel mai economic sistem de incalzire care poate fi folosita in cadrul acestor sere din Livada.

8. Bibliografie

1.Prof. Univ. Dr. Ing. Teodor Maghiar, Surse noi de energie,

Editura Mediamira, Cluj Napoca, 1995

2.Paul Lieanu, Energia geotermala - Aplicatii industriale

3.Ursu I., Groza O., Probleme actuale in dezvoltarea purtatorilor de

energie. Investigatii in domeniul energiei,

Editura Dacia. Cluj-Napoca, 1982

4.Herbst O, Letea I., Resursele energetice ale pamantului. Editura

Stiinta pentru toti. Bucuresti, 1974

5.Chardonnet J, Sursele de energie. Editura Sirsy, Paris, 1973

6. Faust C. R-, Mercer J. W., Modelarea matematica a sistemelor

geotermale

7.Elmer D. B. Aplicarea directa a caldurii resurselor geotermale si

ceade-a doua lege a termodinamicii

8.Jackson D. D., Modelarea chimica a sistemelor geotermale

9.Druma Adriana -Geotermal Training in Iceland 1997

10.M. Balasa, V. Voican si altii - Legumicultura generala si speciala

11.John W. Lund - Lectures an Direct Utilization of Geotermal

Energy

9.Anexe

Anexa 1.

Serele de la Livada

Fig.9.1 Sistemul de incalzire este compus din 4 circuite,sursa de energie folosita este apa geotermala,

Fig.9.2.Sistemul de cultura adoptat este hidrocultura (cultura fara sol),

Anexa 2.

Fig.9.3.Instalatia de fertirigare complet automatizata, este compusa dintr-o unitate centrala cu dozatoare, pompe si filtre, conectata la calculator.

Fig.9.4 Sistemul DUBLET de utilizare a energiei geotermale.