Optimizarea rezistentelor termice

Optimizarea rezistentelor termice

1. Evolutia rezistentelor termice in tarile CE

Criza energetica declansata in 1972, a obligat tarile CE sa ia masuri de conservare energiei, printre care putem enumera si aceea legata majorarea rezistentelor termice ale anvelopelor clairilor de toate categoriile.

Pentru a putea evidentia corelatia dintre rezistentele termice si economia de energia vom presupune transferul printr-un perete plan.

Consumul de combustibil se determina cu relatia:

Rezulta deci, ca cu cat rezistenta termica este mai mare consumul de combustibil este mai mic.

Pentru Franta si Germania, sunt retinute valorile Ropt pentru evolutia lor in perioade 1973 - 1985.

In Romania evolutia nu este spectaculoasa, deoarece prin rezistentele nominale necesare ne situam la nivelul anului 1976 al tarilor CE.

Desi metode de calcul a unor structuri optimizate sunt publicate inca din anul 1976, normativul C107, care se refera la rezistentele termice optime este actualizat in 1994 si publicat in 1996.

2. Criterii de optimizare a rezistentelor termice

Intrucat variatia grosimii termoizolatiei are variatii diferite asupra factorilor economici este necesar a se determina acea grosime care are efect economic global cel mai avantajos asupra ansamblului de factori economici. Operatia de optimizare se face dupa doua criterii: al cheltuielilor totale si al consumului total de energie.

Metodologia de optimizare este similara pentru cele doua criterii, considerand ca solutia optima este cea pentru care cheltuielile , respectiv consumul de energie sunt minime.

Atunci cand cel doua criterii nu conduc la aceeasi solutie optima, se va face o integrare a celor doua criterii pentru a putea alege intre solutiile optime, stabilite dupa fiecare intre criterii.

a. Optimizarea dupa criteriul cheltuielilor totale

Cheltuielile totale cuprind atat cheltuieli pentru investitii, pentru constructii si instalatii de incalzire, cat si cele de exploatare ale instalatiilor de incalzire. In calculul cheltuielilor se includ numai acelea care se diferentiaza, in functie de grosimea termoizolatiei. Intrucat cheltuielile de exploatare (intretinere) ale constructiilor nu sunt diferentiate dupa grosimea termoizolatiei si in general nici dupa solutia de alcatuire a elementului de inchidere, acestea nu se iau in considerare.Calculul de optimizare a grosimii termoizolatiei se raporteaza la 1 m² suprafata de inchidere.

Se are in vedere treptele de variatie ale grosimii termoizolatiei sunt stabilite de catre producatori. Astfel pentru vata minerala modulul este de 10 mm; pentru poliester 12 mm; pentru BCA 125 mm.

Cheltuielile totale pot fi exprimate printr-o relatie de forma:

S=C+I+nE; [lei/m²]

in care:

S - cheltuieli totale ale elementelor comparate, in lei/m²;

C - costul de investitii al partii de constructie, in lei/m²;

I - cota pateu din costul de investitii al instalatiei de incalzire;

E - cota parte din cheltuielile anuale de exploatare ale instalatiei de incalzire, in lei/m²;

n - numarul de ani in care se care ca suma cheltuielilor sa fie minima.

In costul "C" al partii de constructie se inchide numai costul termoizolatiei. In cazul termoizolatiilor grele, la care in functie de grosimea termoizolatiei - pot varia si alte elemente ale constructiei (de exemplu structura de rezistenta care suporta termoizolatia acoperisului, fundatia si structura care suporta peretele) se ia in considerare si suportul de cost aferent.

Pentru costul investitiei si cheltuielile de exploatare ale instalatiei de incalzire, se considera numai cota parte aferenta pierderii de caldura prin elementul de inchidere respectiv.

Cota parte din costul investitiei al instalatiei de incalzire "I" se stabileste cu relatia:

I=q*i; [lei/m²]

in care; q este fluxul unitar de caldura transmis prin elementul de inchidere considerat, calculat conform prevederilor STAS 1907

q=; [W/m²]

i - indice de cost al instalatiei de incalzire, in lei/W;

R₀ - rezistenta termica globala a elementului considerat;

t_i, t_e - temperaturile de calcul pentru aerul interior si exterior.

Rezistenta termica se determina cu relatiile cunoscute, considerand ca parte variabila rezistenta termoizolatiei si restul ca parte fixa:

R₀= R₁+R₂+R₃+.+R_iz+.R_n+R_e;    [m²K/W]

Indicele de cost al instalatiei de incalzire cuprinde toate elementele instalatiei: centrala termica, retele de distributie, instalatia interioara precum si costul constructiilor aferente, care variaza cu capacitatea instalatiei, de exemplu cladirea centralei termice si elementele de sustinere a retelei de distributie.

Valoarea indicelui de cost "i" se considera constanta in calculul de optimizare indiferent de grosimea termoizolatiei, ca urmare a faptului ca acesta corespunde unei anumite solutii de incalzire care ramane aceeasi in comparatia facuta intre diferitele grosimi.

Cota parte a cheltuielilor anuale de exploatare din instalatia de incalzire "E" se determina diferentiat dupa cum alimentarea cu caldura se face dintr-o sursa termica proprie atunci se determina cheltuielile anuale de exploatare:

E=E_c+E_d; [lei/m²an];

in care:

E_c - reprezinta cota parte din costul de combustibil consumat anual, care se determina cu relatia:

E_c=B_an*C_c; [lei/m²an];

cu: ; [kg/an], consumul anual de combustibil, stabilit functie de sarcina termica anuala "Q_an", randamentul global al instalatiei "h" si puterea calorifica inferioara a combustibilului "P_ci" in KJ/Kg.

E_d - cota parte din cheltuielile de exploatare ale sursei de caldura, care includ: costurile energiei electrice, salariile personalului de exploatare, cheltuielile de intretinere si reparatii a investitiei referitoare la sursa de caldura.

E_d=q*C_d; [lei/m²,an];

in care "C_d" reprezinta indicele de cost al cheltuielilor de exploatare in sursa de caldura, in lei/W,an, aceste variind functie de capacitatea sursei, tipul echipamentelor si natura tipului de combustibil utilizat.

Daca alimentarea cu caldura se face dintr-o sursa care livreaza caldura la pret tarifar, atunci cota parte din cheltuielile anuale de exploatare se determina cu relatia:

E=q_an*C_e; [lei/m²an]

q_an - caldura pierduta anual prin elementul de considerat, in KWh/m²an;

C_e - pret tarifar al calduri livrate, in lei/KWh.

In calculul de optimizare a protectiei termice, numarul de ani in care se considera economica recuperarea unui spor de investitii, este de n=8 ani, valoare cuprinsa intre cea utilizata in domeniul constructiilor (n=5 ani) si cea a energiei (n=10 ani).

Pentru efectuarea calcului de optimizare se cauta exprimare celor trei componente functie de R₀.

C=a₁+b₁*R₀;    [lei/m²];

I=a₂+b₂/R₀; [lei/m²

E=a₃+ b₃/R₀;    [lei/m²

in care a_x, b_x sunt constante pentru un caz particular studiat.

Inlocuind in relatia generala se obtine:

S=C+I+nE=(a₁+a₂+na₃)+b₁R₀+; [lei/m²].

Valoarea "R₀" pentru care cheltuielile totale sunt minime, este aceea pentru care se anuleaza derivata functiei S=f(R₀)

; de unde

[m²K/W].

Reprezentand grafic aceste dependente se pot obtine imagini calitative asupra optimizarii:

b. Optimizarea dupa criteriul total de energie

Consumul de energie inglobata sau de exploatare, sub forma de combustibil conventional (P_ci=7000x1,16x3600 KJ/Kg) se poate scrie sub formula:

B=B₁+B₂=B₁+bE_e; [Kgcc]

in care:

B - reprezinta consumul total de combustibil;

B₁ - consumul de energie directa sub forma de combustibil;

B₂ - consumul de combustibil pentru introducerea energiei electrice;

b - consumul specific de combustibil pentru producerea energiei electrice, tinand seama ca o parte din energie se produce in centralele hidroelectrice (c=0,325 Kgcc/KWh);

E_e - consumul de energie electrica, in KWh.

Relatia de optimizare este similara celei prezentata la metoda precedenta, grosimea optima fiind aceea pentru care consumul total de energie sub forma de combustibil "B_s" este minim.    B_s= B_e+B_i+nB_E [Kgcc/m²]

in care:

B_e - consumul de energie inglobata in elementele de constructii;

B_i - cota paret din consumul de energie inglobata in instalatia de incalzire;

B_e - cota parte din consumul de energie de exploatare in instalatia de incalzire;

n - numarul de ani in care se cere ca consumul de energie sa fie minim.

c. Alegerea solutiei optime prin integrarea criteriilor

Pentru cazul in care grosimea optima determinata dupa criteriul cheltuielilor totale minime si cel al energiei totale consumate minime, nu este aceeasi, trebuie optat pentru una din cele doua valori grosimi sau eventual pentru una intermediara daca nu au valori pe trepte alaturate de dimensiuni.

Modul de alegere are in vedere ca fata de grosimea A care conduce la cheltuieli totale minime, o alta grosime B corespunzand consumului minim de energie sau in apropiere de acesta, asigura o economie de combustibil.

Ca urmare o astfel de solutie B va fi preferata, fata de A, daca asigura urmatoarele conditii economice:

sporul de cheltuieli de investitii pentru constructii si instalatii (cheltuieli imediate) sa poata fi compensat economic de cheltuieli de exploatare - ca urmare a unui consum mai redus de combustibil - intr-un numar mai mic decat cel luat in calculul de optimizare (n=8 ani).

Aceasta conditie, reprezinta sporul de cheltuielilor de investitii ca urmare a aplicarii solutiei cu grosime B, in locul solutiei cu grosime A, exprimate cu relatia:

D(C+I)=(C+I)_B-(C+I)_A;    [lei/m²].

Consumul suplimentar de combustibil, daca se aplica solutia A in locul solutiei B va fi: DB=B_A-B_B;    [Kgcc/an]

Costul combustibilului economisi sa fie inferior costului combustibilului importat, la pretul pietii externe "P", conditie care se exprima sub forma:

[lei/Kgcc].

In cazul in care solutia cu grosimea B nu indeplineste ambele conditii, se considera optima solutia cu grosimea A.

3. Norme nationale referitoare la protectia termica a cladirilor

In cele ce urmeaza, vor fi prezentate prevederile "Normativului privind calculul coeficientilor globali de izolare termica la cladirile de locuit", indicativ C107/1-94.

Prevederile acestui act normativ se aplica la toate cladirile de locuit sau colective, proiectate sau supuse lucrarilor de ameliorare si modernizare.

Rezistenta termica medie a anvelopei unei cladiri "R_OM" se calculeaza cu relatia:

R_OM=; [m²K/W]

in care:

S - reprezinta suprafata anvelopei cladirii , reprezentand suma tuturor suprafetelor elementelor de constructie perimetrale ale cladirilor, prin care au loc pierderile de caldura, care se calculeaza cu relatia:

S=S_e+ S_f+ S_t+ S_a+ S_b+ S_p+ S_r+ S_i+ S_n;    [m²]

S_e - suprafata opaca a peretilor exteriori, inclusiv suprafata adiacenta rosturilor deschise spre exterior;

S_f - suprafata ferestrelor si usilor exterioare, precum si a peretilor exteriori vitrati si a luminatoarelor;

S_t - suprafata planseelor de peste ultimul nivel, sub terasa;

S_a - suprafata planseelor de peste ultimul nivel, sub pod;

S_b - suprafata planseelor de peste pivnite si subsoluri neincalzite;

S_p - suprafata elementului in contact direct cu solul;

S_r - suprafata peretilor exteriori in contact cu solul;

S_i - suprafata planseelor care delimiteaza cladirea la parte inferioara, de exterior sau de spatii cu temperatura mai redusa cu 10 ^oC decat locuinta (la ganguri de trecere, bowindouri, etc.);

S_n - suprafata peretilor si planseelor care separa volumul cladirii de spatii adiacente neincalzite sau mult mai putin incalzite, de spatii avand alte destinatii, precum si de rosturi inchise.

; [W/K]

q_a q_b q_a q_r q_n

Rezistentele termice medii "R_om" ale elementelor de constructie care alcatuiesc anvelopa cladirilor de locuit, au valori minime normate, dupa cum urmeaza:

q_j 0,9, factor de corectie a temperaturilor adiacente, care ia in considerare influenta favorabila a unor elemente de constructie sau pozitia acestora in raport cu actiunea vantului. De exemplu existenta jaluzelelor, balcoanelor inchise etc.

pentru verificarea gradului de izolare termica al unei cladiri se defineste marimea numita "coeficient global de ionizare termica, notat cu G" care este comparat cu coeficientul normat de izolare termica "GN"; G£GN.

Pentru stabilirea coeficientului global de izolare termica "G" se utilizeaza relatia:

; [W/m³K]; in care:

V - reprezinta volumul incalzit al cladirii, cuprinzand atat incaperile incalzite direct cat si indirect;

DG - termen ce majoreaza pierderile de caldura prin transmisie datorita influentilor de aer, normate pentru asigurarea ratei minime de aer proaspat.

DG=C_a*N

Cu "C_a" definit ca produsul dintre caldura masica si densitatea aerului la 20 ^oC, marime exprimata in Wh/m³K si N - numarul de schimburi orare minime ce trebuie asigurate.

Pe de alta parte GN=f(, nr. nivel); valoarea acesteia variind intre 0,20 si 1,1 Wh/m³.