CAILE DE TRANSFER ALE CALDURII SI UTILIZAREA EFICIENTA A ENERGIEI TERMICE SI SOLARE

CAILE DE TRANSFER ALE CALDURII SI UTILIZAREA

EFICIENTA A ENERGIEI TERMICE SI SOLARE

Cand conditiile de clima nu se potrivesc cu parametrii de confort fiziologic, casa trebuie sa regleze acesti parametrii, sa fie astfel construita incat sa se apropie de parametrii de confort fiziologic.

Diferentele de temperatura intre interior si exterior sunt mult atenuate intr-o casa care are o anumita inertie termica.

Transferul caldurii este un proces prin care energia sub forma de caldura este schimbata intre corpuri sau parti ale aceluiasi corp aflate la temperaturi diferite.Caldura este in general transferata prin convectie, radiatie sau conductie. Desi aceste trei procese se pot produce simultan, nu este neobisnuit ca unul dintre mecanisme sa le eclipseze pe celelalte.

partea dinspre vant paretea dinspre vant

    aer rece

pereti de zidarie

aer cald    turbina de vant aer cald

aer rece aer rece aer rece

Conductia

Coductia reprezinta singura metoda de transfer al caldurii in cazul solidelor opace.Daca temperatura la un capat al unei baghete de metal este crescuta prin incalzire, caldura este condusa spre capatul rece, dar mecanismul exact al procesului nu este cunoscut pe de-a intregul.Se crede totusi ca se datoreaza    intr-o anumita masura miscarii electronilor liberi in materia solida, care la

aplicarea unei diferente de temperatura, transporta energie. Aceasta teorie poate explica de ce materialele bune conducatoare de energie electrica sunt in acelasi timp si bune conducatoare de caldura. Desi acest fenomen a fost observat de secole, abia in 1882 matematicianul francez Jean Baptiste Fourier a dat ecuatia matematica precisa, ceea ce acum reprezinta legea Fourier a conducerii caldurii;expresia matematica acestei legi este:

H= xSxdT/dX

unde H este viteza de transfer a caldurii, conductibilitatea termica a materialului, S suprafata prin care se transmite caldura, X directia perpendiculara pe suprafata si T temperatura. In cazul particular al unui perete omogen de grosime s cu temperatura constanta pe suprafat a externa ecuatia devine:

H= /sxSx T

unde T este diferenta de temperatura dintre suprafetele externe.

Materiale ca aurul,argintul si cuprul au conductivitati termice mari si conduc caldura rapid,in timp ce materiale cum sunt sticla si azbestul au valori ale conductivitatii termice de sute si mii de ori mai mici si conduc greu caldura.Aceste din urma sunt cunoscute s i sub denumirea de izolatoare.

Radiatii solare spre perete

aer cald transferul de caldura prin pereti

peretii

aer rece pereti de zidarie radiaza caldura

catre spatiu

Convectia

Conductia nu se produce numai in interiorul unui corp,ci si intre doua corpuri daca sunt aduse in contact, iar daca una dintre substante este un lichid sau un gaz se va produce aproape cu siguranta miscarea fluidului. Acest proces de conductie dintre o suprafata solida si un lichid sau gaz care se misca se numeste convectie.

Convectia este guvernata de legea lui Newton:

H=hxSx T

unde h este un coeficient de schimb,iar T este diferenta dintre temperatura nucleului fluidului si temperatura suprafetei, adica dintre straturile termice limita.Coeficientul h depinde de parametri fizici.

Astfel se poate face o deosebire intre convectia naturala si convectia fortata, aceasta din urma datorandu-se atat diferentei de temperatura cat si actiunii unor factori externi.

Radiatia

Radiatia reprezinta o alta modalitate de propagare a caldurii.Fiecare corp poate emite sau absorbi energie radiata. Energia radiate care cade pe o suprafata poate fi absorbita de aceasta.

Necesitatea cunoasterii coeficientului global de transfer termic k si a conductivitatii termice echivalente _e se impune in multe domenii ale tehnicii si in special in cazul izolatiilor termice, schimbul de caldura dintre partile componente ale diverselor instalatii si mediul inconjurator constituind o problema deosebit de importanta.

Schimbul global de caldura are loc intre doua fluide despartite printr-un perete (fig.11.1), si este realizat din succesiunea transferului termic prin convectie si radiatie intre fluidul 1 de temperatura si suprafata B a peretelui de temperatura, conductia termica prin peretele neomogen (format din straturile de grosime _n avand conductivitatile termice _n), si transferul termic prin convectie si radiatie de la suprafata C a peretelui de temperatura la fluidul 2, avand temperatura

Fluxul de caldura reprezinta cantitatea de caldura transmisa in unitatea de timp si se exprima in W. Densitatea fluxului de caldura q este fluxul termic transmis pe unitatea de suprafata:

 W/m

unde: A reprezinta aria suprafetei de schimb de caldura, in m

In cadrul schimbului global de caldura, aportul radiatiei termice la transmiterea caldurii se ia in considerare prin coeficientul de transfer termic de suprafata prin radiatie  _rad, rezultand valoarea coeficientului de transfer termic de suprafata 

  _conv   _rad [W / (m^2 K)], (11.2)

unde:  _conv este coeficientul de convectie termica, in W / (m K) .

In economia energiei tendinta actuala e marcata de incercarea de a utiliza noi surse de energie . O noua modalitate de abordare generata de evidenta faptului ca purtatorii de energie fosili sunt epuizabili conduce la incercarea de utilizare a surselor de energie regenerabile : energie atomica , energie solara ,energie eoliana .Instalatiile de ventilatie-climatizare isi pierd treptat rolul important intr-o tendinta de reintoarcere spre metodele naturale de racire sau acumulare de caldura bazate pe legile termodinamicii .

Studiul miscarii predilecte a maselor de aer , a modului cum energia solara sau eoliana directa atinge cladirea nu este o descoperire a zilelor noastre . El a existat ca preocupare spontana din cele mai vechi timpuri , cand casele Orientului Apropiat indreptau spre soare un portic realizand astfel umbrirea fatadei ; cand satele indiene erau asezate la umbra versantilor ferite de iradierea directa si incalzite prin convectie . Inovatia zilelor noastre e trecerea acestei tendinte in proiectare deliberata .

 Factorii climatici si efectele lor asupra relatiei cladire-insorire

iunie septembrie / martie decembrie solstitiul devara 21 iunie

ore echinoctiu 21martie si 21sept.

solstitiul de iarna 21dec.

pranz atmosfera

apus

Datele climatice influenteaza in mod indirect conformarea cladirii , randamentul instalatiilor de utilizare a energiei solare fiind influentat de :

-umbrire ;

-temperatura exterioara (incluzand si mijloace de protectie la inghet ) ;

-miscarea maselor de aer .

Randamentul de utilizare a energiei solare e influentat negativ de pierderi ale luminii solare prin difuzie , reflexie absorbtie , in cazul precipitatiilor , vantului , temperaturii .Puterea iradierii difera in functie de unitatea temporala-spatiala in care e luata in considerare energia radianta.Masuratorile pentru randamentul de utilizare a energiei solare trebuie sa ia in considerare aceste lungimi de unda . Utilisarea sticlei ca material de finisaj exterior are avantajul ca permite trecerea luminii , adica a anumitor radiatii . Energia solara e absorbita sub forma de energie luminoasa si apoi transformata in energie termica Din punct de vedere al pozitiei pe care conceptul de proiectare al unei cladiri il poate avea in raport cu utilizarea energiei solara distingem doua tipuri majore :

   

1.Cladiri cu pierderi minime .

In aceasta categorie se incadreaza cladirile bine izolate termic . Nevoia de energie calorica de incalzire e redusa prin izolarea buna termica , dar aceasta actioneaza ca o bariera dubla , impiedicand si utilizarea energiei solare .Exactitatea calculelor e diminuata insa de prezenta puntilor termice , neluarea in considerare a schimbului de aer prin ventilatie naturala , influenta erorilor de executie . Influenta utilizatorului asupra comportamentului termic al cladirii e ridicata , nu poate fi vorba de o evaluare absoluta ci doar de o evaluare a variantelor .

2.Cladiri cu castig maxim .

In acest caz standardul izolarii termice nu e atat de inalt urmarind o maxima utilizare a energiei solare .Suprafetele acumulante necesita o orientare optima . Volumul compact al cladirii contribuie prin obtinerea raportului optim suprafata exterioara/volum la diminuarea pierderilor . Fatadele bine orientate trebuie sa aiba un aport maxim in aceasta suprafata exterioara in detrimentul celorlalte .

Influenta modului de utilizare se materializeaza in acest caz in special prin reflectarea in zonificarea cladirii . Zonificarea are o anume influenta asupra nevoii de caldura . Din punct de vedere termic cladirea se compune din straturi concentrice, cu zona mai calda in mijloc . Spatiile inconjuratoare joaca rol de tampon activ sau pasiv la nord si activ (acumulator de energie) in rest . Cu cat elementele centrale au o masa mai mare ele pot inmagazina mai multa energie .Prin radiatie calorica se pierde cca. 60% din caldura . Prin prevederea unei suprefete reflectante radiatia calorica a incaperii va fi reflectata in interior . Convectia se accentueaza .

Cazul particular al locuintei mansardate

Orientarea N-S e cea mai favorabila . Ferestrele orientate spre E sau V trebuie dimensionate minimal in functie de nevoia de lumina naturala . Suprafetele de fereastra inclinate sau orizontale sunt de evitat . Izolarea termica se calculeaza in functie de temperaturile extreme si nu de cele medii .In cazul utilizarii energiei solare pasive se prefera asocierea acesteia ventilarii nocturne si protectiei contra incalzirii prin parasolare. Stratul de sticla e conductor termic . Izolarea termica e proportionala cu numarul de straturi de sticla , desi nu sticla in sine izoleaza ci aerul dintre foi . Transmisia de caldura variaza invers proportional acesteia . Raportul izolare/transmisie urmarit la o fereastra depinde de orientarea acesteia . La nord e necesara o buna izolare (pierdere minima) ; iar la sud se urmareste castigul maxim .

Sere   

Desi de multe ori introduse in proiect sub pretextul ca servesc castigului de energie solara pasiva , serele conduc la un castig de energie redus in raport cu cel realizat de fereastra solara , de examplu .Castigul de caldura in cazul serelor e de 10-20% . Avantajul principal consta in aceea ca serele contribuie la acest castig prin acumulare indirecta si in perioadele cand nu exista radiatie solara disponibila . Arhitectural , serele sporesc calitatea spatiului , si sunt ele insele locuibile in cea mai mare parte a anului. Timpul de utilizare depinde de calitatea vitrajului . Spre exterior e utilizat vitrajul simplu izolant, aspect asociat unei puternice separari a serei de spatiul locuibil . Sera lucreaza ca element de utilizare a energiei solare numai atunci cand exista aceasta separare dintre spatiul ei si spatiul locuibil dinapoia ei si cand exista posibilitatea de comunicare controlata a aerului din cele doua spatii prin orificii de aerisire care se inchid si se deschid corespunzator . Spatiul locuibil devine element secundar de inmagazinare.

Atrium

Atriumul este o curte interioara vitrata la partea superioara . Ca hol interior al unei cladiri contribuie la o mai buna exploatare a luminii naturale , constituind in acelasi timp si un spatiu de locuit suplimentar .

Supraincalzirea pe timpul verii poate fi evitata prin ventilarea prin efect de horn . Sistemul de umbrire precum si finisarea in culori deschise a peretilor atriului servesc aceluiasi scop . Pe timpul iernii aerul incalzit in atrium prin efect de sera poate fi utilizat pentru incalzirea restului spatiilor

La locuinte

- Se urmareste o orientare favorabila astfel incat temperatura aerului din incaperi sa fie cat mai ridicata .

- Conformarile difera in functie de amplasament (de cantitatea disponibila de radiatii).

In industrie - hale de montaj

- In hala PMMA din Hamburg are loc un schimb accelerat de aer datorita circulatiei persoanelor . Factorul de utilizare e variabil .

- La hala NASA din Dusseldorf efectul termoizolatiei transparente vara a ealizat o simulare foarte reusita a conditiilor din spatiul interplanetar .

- Pentru portul din Koln s-a realizat o sala de exercitii similara .

Cladiri de birouri/pentru invatamant

- Prezenta oamenilor suplimenteaza energia calorica disponibila . Cantitatea de energie necesara scade seara si noaptea . Castigul de energie , de obicei maxim dupaamiaza devine inutilizabil in acest caz .

- Se cere o amplasare judicioasa a peretilor masivi in punctele de maxim castig de energie .

Un exemplu in acest sens il constituie o cladire de birouri la Dusseldorf a lui G. Bohm la care se remarca unificarea fatadei, atat plinul cat si golul citindu-se identic din exterior . Utilizarea in exces a termoizolatiei transparente conduce la necesitatea unei energii de racire suplimentare , atingerea punctului de echilibru fiind deosebit de importanta .

Colectori solari

Exista doua moduri esential diferite de utilizare activa a energiei solare :

- sistemele termice

- fotovoltaica .

Acoperisurile pot fi special conformate pentru integrarea colectorilor , in general prin prefabricarea unor parti de acoperis .

Aporturile la pretul total sunt - campul colector 36%

- montaj 30%

- elementul de inmagazinare 27%

Climatizare

Instalatiile de climatizare pot fi :

- masini de racire cu compresiune (folosesc si energia electrica)

- masini de racire cu absorbtie (folosesc caldura - poate fi generata de instalatii cu tuburi de vid)

Fotovoltaica

Celulele sunt legate in serie sau in paralel formand module . Un modul poate alimenta o baterie . Legarea in serie e mai dezavantajoasa intrucat in cazul functionarii defectuoase a unei celule intregul sistem e periclitat . Figura 53 ilustreaza cateva scheme de legare a modulelor in serie sau in paralel .

Integrarea in cladire

In calitatea lor de parti de constructie electrice instalatiile fotovoltaice necesita o protectie speciala . Instalatia fotovoltaica nu poate fi pur si simplu deconectata pentru ca lumina difuza are un aport continuu la generarea de curent continuu .

Fatada trebuie sa fie rezistenta la intemperii .

Amplasamentul celulelor fotovoltaice e de dorit cat mai apropiat de zonele din interiorul cladirii unde curentul electric e mai folosit .

Modulele pot fi conformate si ca elemente de umbrire . Montarea oblica a acestora contribuie la o mai buna orientare in raport cu directia razelor de soare . Se cere acordarea unei atentii sporite astfel incat elementele sa nu se umbreasca reciproc . Nu e permis ca montantii si reliefurile fatadei sa umbreasca total sau partial modulele fotovoltaice . Elementele de cadru ale modulelor trebuie conformate corespunzator aceleiasi exigente .

Cand celulele fotovoltaice nu depasesc o anumita grosime , modulele fotovoltaice pot fi integrate in structura unui perete exterior transparent .

Sistemul fotovoltaic poate fi cuplat la o retea electrica sau autonom ca o baterie de acumulare pentru aparate mici .