1

Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCŢII BUCUREŞTI

Facultatea de Inginerie a Instalaţiilor

Cercetări privind consumul de energie pentru climatizarea clădirilor

REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT

Doctorand Ing.Anca Maria IONESCU

Conducător ştiinţific Prof.univ.dr.ing. Iolanda COLDA

BUCUREŞTI 2011

2

Universitatea Tehnica de Constructii Bucuresti

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCŢII BUCUREŞTI

Facultatea de Inginerie a Instalaţiilor

Titularul prezentei teze de doctorat a beneficiat pe întreaga perioadă a stagiului de pregătire doctorală de bursă atribuită prin proiectul „Burse doctorale pentru ingineria mediului construit”, cod POSDRU/59/1.5/S/2, beneficiar UTCB, proiect derulat în cadrul Programului Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane, finanţat din Fondurile Structurale Europene, din Bugetul naţional şi cofinanţat de către UTCB.

Cercetări privind consumul de energie pentru climatizarea clădirilor

REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT

Doctorand Ing.Anca Maria IONESCU

Conducător ştiinţific Prof.univ.dr.ing. Iolanda COLDA

BUCUREŞTI 2011

3

4

MULŢUMIRI Doresc, în primul rând, să adresez întreaga mea recunoştinţă şi consideraţie conducătorului

meu ştiinţific, Prof. Univ. Dr. Ing. Iolanda COLDA, care m-a îndrumat cu profesionalism şi tact

pedagogic pe durata pregătirii doctorale şi care m-a susţinut în momentele grele. Îi mulţumesc pentru

încrederea, sprijinul şi atenta îndrumare pe care mi le-a oferit în toţi aceşti ani.

Le mulţumesc distinşilor profesori membri ai comisiei de doctorat: domnului Prof. Univ. Dr.

Ing. Șerban LAZĂR – preşedinte – Decan, Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti, doamnei

Prof. Univ. Dr. Ing. Iolanda COLDA – conducător ştiinţific – membru – Universitatea Tehnică de

Construcţii Bucureşti, domnului Conf. Univ. Dr. Ing. Vasilică CIOCAN – referent – membru –

Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iaşi, doamnei Conf. Univ. Dr. Ing. Marina VERDEŞ –

referent – membru – Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iaşi, domnului Conf. Univ. Dr.

Ing. Andrei DAMIAN – referent – membru – Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti, pentru

faptul că au acceptat să facă parte din comisia de doctorat şi pentru sugestiile constructive făcute în

urma analizării tezei mele, care au ajutat la îmbunătăţirea conţinutului tezei.

De asemenea doresc să mulţumesc doamnei Şef de Lucrări Dr. Ing. Andreea VARTIRES

pentru îndrumarea şi sprijinul acordat în realizarea tezei.

Mulţumesc tuturor profesorilor mei şi Universităţii Tehnice de Construcţii Bucureşti care au

contribuit la formarea mea profesională şi ştiinţifică.

Mulţumesc din inimă familiei şi tuturor celor apropiaţi care m-au sprijinit şi m-au încurajat

pe întreaga perioadă de desfăşurare a doctoratului.

Anca Maria IONESCU

5

CUPRINS Capitolul 1 : PROBLEMATICA GENERALĂ REFERITOARE LA CONSUMUL DE ENERGIE DIN CLĂDIRI

I.1. Cadrul legislativ I.2. Obiectivul lucrării I.3. Condiţiile de confort şi calitatea aerului I.4. Necesarul de energie la nivelul clădirii I.5. Consumul de energie în clădiri I.6. Datele climatice

Capitolul 2 : CALCULUL CONSUMULUI DE ENERGIE PENTRU CLIMATIZAREA CLĂDIRILOR PRIN CALCUL LUNAR

II.1. Descrierea generală a metodei de calcul II.1.1. Transferul de căldură II.1.2. Aporturile interioare de căldură

II.2. Ipoteze de calcul II.2.1. Ipoteze legate de clădire II.2.2. Programul de funcţionare

II.3. Studii de caz II.3.1. Cazul 1 de referinţă - Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura interioară de calcul II.3.2. Cazul 2: Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura exterioară

II.4. Comparaţie între cazuri şi concluzii Capitolul 3 : CALCULUL CONSUMULUI DE ENERGIE PENTRU CLIMATIZAREA CLĂDIRILOR PRIN METODE DINAMICE SIMPLIFICATE

III.1. Metoda orară bazată pe analogia termo-electrică III.1.1 Rezolvarea ecuaţiei căldurii prin metoda diferenţelor finite. Aplicarea analogiei electrice pentru un perete omogen. III.1.2. Comentarii privind metoda de calcul analogic

III.2. Programul CoDyBa III.2.1. Descrierea generală a programului de simulare III.2.2. Aplicarea analogiei electrice pentru programul CoDyBa III.2.3. Introducerea datelor de intrare în program

III.3. Studii de caz III.3.1. Cazul 1 de referinţă - Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura interioară de calcul III.3.2. Cazul 2: Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura exterioară

III.4. Compararea rezultatelor cu cele obţinute prin calcul lunar

Capitolul 4 : CALCULUL CONSUMULUI DE ENERGIE PENTRU CLIMATIZAREA CLĂDIRILOR PRIN METODE DINAMICE AVANSATE

IV.1. Programul Trnsys IV.1.1. Descrierea generală a programului de simulare IV.1.2. Avantajele programului IV.1.3. Introducerea datelor de intrare în program

IV.2. Studii de caz IV.2.1. Cazul 1 de referinţă - Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura interioară de calcul IV.2.2. Cazul 2: Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura exterioară

IV.3. Compararea rezultatelor cu cele obţinute prin calcul lunar

Capitolul 5: CONCLUZII,CONTRIBUŢII PERSONALE,DIRECŢII DE CERCETARE

6

Capitolul 1: PROBLEMATICA GENERALĂ REFERITOARE LA CONSUMUL DE ENERGIE DIN CLĂDIRI I.1. Cadrul legislativ În contextul schimbărilor pe plan climatic şi diminuării rezervelor de combustibili fosili,

scăderea consumului de energie a devenit un obiectiv important al ţărilor din Uniunea Europeană, printre care şi România. Pentru a îndeplini acest obiectiv s-au elaborat o serie de măsuri legislative care au drept ţintă limitarea consumului de energie.

Clădirile sunt responsabile pentru 40% din totalul consumului de energie în Uniunea Europeană. Sectorul construcţiilor se află în expansiune, ceea ce va duce la creşterea consumului de energie. Prin urmare, reducerea consumului de energie şi utilizarea energiei din surse regenerabile în sectorul clădirilor constituie măsuri importante necesare pentru reducerea dependenţei energetice a Uniunii şi a emisiilor de gaze cu efect de seră.

Pe plan european Cuantificarea consumului de energie are o importanţă majoră deoarece, până la 31 decembrie

2020, toate clădirile noi construite în UE vor trebui să producă aceeaşi cantitate de energie pe care o consumă, adică vor fi clădiri al căror consum de energie este aproape egal cu zero, conform legislatiei adoptate de Parlamentul European. Intervalul pe care se face calculul va fi de un an.

Constanând că promovarea programelor pentru tehnologii noi nu a fost foarte eficientă şi că există diferenţe considerabile între nivelurile de performanţă energetică cerute de standardele actuale ale statelor membre, Parlamentul European şi Consiliul UE au adoptat în decembrie 2002 Directiva 2002/91/EC asupra „Performanţei Energetice a Clădirilor”. Obiectivul principal al acestei Directive este de a promova îmbunataţirea performanţei energetice a clădirilor în cadrul UE, sub rezerva unei abordări integrate astfel încât numai măsurile eficiente din punct de vedere economic să fie implementate. Dată fiind durata de viaţă a clădirilor (între 50 şi 100 ani), cel mai mare potenţial de imbunătăţire a performanţei energetice pe termen scurt şi mediu se află la clădirile existente. Directiva îşi propune să stabilească un cadru care va conduce la o mai bună coordonare între legislaţiile statelor membre în acest domeniu.

Această Directivă a fost completată ulterior prin Directiva 2010/31/EC a Parlamentul European şi Consiliul UE privind performanţa energetică a clădirilor, adoptată la Strasbourg la 19 mai 2010. Începând cu 1 februarie 2012, Directiva 31/2010 va înlocui Directiva 91/2002, aceasta din urmă urmând a fi abrogată. Noua Directivă a apărut datorită necesităţii stabilirii unor acţiuni mai concrete, care să vizeze exploatarea marelui potenţial, încă nevalorificat, al economisirii de energie în sectorul clădirilor şi reducerea marilor decalaje între statele membre în ceea ce priveşte rezultatele obţinute în acest sector.

Obiectivele Directivei 31 rămân aceleaşi ca şi în cazul Directivei 91, mai sus menţionate. La acestea se adugă obligativitatea statelor membre de a elabora planuri naţionale pentru creşterea numărului de clădiri al căror consum de energie este aproape egal cu zero. Acest obiectiv vine în întâmpinarea legislaţiei Europene conform căreia din 2021 toate clădirile noi construite vor fi clădiri zero energie iar din 2019 clădirile noi ocupate şi deţinute de autorităţile publice sunt clădiri al căror consum de energie este aproape egal cu zero.

Directiva 31/2010 introduce nou conceptul de „nivel optim din punct de vedere al costurilor”. Acesta reprezintă nivelul de performanţă energetică care determină cel mai redus cost pe durata normată de funcţionare rămasă a unei clădiri sau a unor elemente de clădire. Pentru a determina nivelul optim din punctul de vedere al costurilor, se face o analiză cost-beneficiu calculată pe durata normată de funcţionare, care trebuie să fie pozitivă.

Pe plan naţional Având în vedere atenţia deosebită ce se acordă pe plan european economiei de energie şi

protecţiei mediului precum şi pentru asigurarea condiţiilor de armonizare a reglementărilor naţionale

7

cu cele europene referitoare la cerinţa de economie de energie, în ultimii ani au fost elaborate o serie de acte legislative în acest domeniu.

Legea 372 din 13.12.2005 privind performanţa energetică a clădirilor transpune Directica 2002/91 în legislaţia românească. Conform legii, s-a instituit obligativitatea evaluarii performanţei energetice a clădirilor noi şi existente, clădirile noi trebuie să se conformeze unor cerinte minime privind performanţa energetică. Astfel, performanţa energetică a clădirilor trebuie să fie calculată pe baza unei metodologii comune pentru ţările europene, bazată pe standardele europene CEN ISO existente deja sau care vor mai fi elaborate in continuare, dar care poate fi diferenţiată la nivel regional, luându-se însă in consideraţie condiţiile climatice locale şi care, pe lângă izolaţia termică include şi alţi factori cu un rol din ce in ce mai important, cum ar fi instalaţiile de incălzire şi de condiţionare a aerului, folosirea surselor de energie regenerabila şi configuraţia clădirii. Un sistem de certificare a clădirilor va conştientiza mult mai bine proprietarii, chiriaşii şi utilizatorii aspra nivelurilor de consum de energie.

Metodologia de evaluare a performanţei energetice a unei clădiri MC001, reglementată prin OM 157/2007; aceasta transpune în România prevederile Directivei 2002/91/CE conform Legii nr. 372/2005 privind performanţa energetică a clădirilor. Normativul menţionat este compus din trei părţi: metodologia de determinare a caracteristicilor hidro-termo-energetice ale elementelor care alcătuiesc anvelopa clădirii, metodologia de analiză a instalaţiilor şi echipamentelor clădirii şi metoda de întocmire a auditului energetic al clădirii şi a certificatului de performanţă energetică a clădirii.

Ulterior, Ordinul 1071/16.12.2009 modifică şi completează OM 157/2007, adăugând încă două părţi Metodologiei de calcul, şi anume: partea IV – Breviar de calcul al performanţei energetice a clădirilor şi apartamentelor, indicativ MC001/4-2009, şi partea V –Model certificat de peformanţă energetică al apartamentului, indicativ MC001/5-2009. Astfel, metodologia este structurată la ora actuală pe cinci părţi.

I.2. Obiectivul lucrării Obiectivul principal al lucrării îl reprezintă o analiză aprofundată a metodelor de evaluare a

consumului de energie în clădiri. Lucrarea îşi propune pe de-o parte să analizeze bazele teoretice ale acestor metode, cu scopul

de a aproxima cât mai aproape de realitate necesarul de energie pentru răcirea clădirilor. În cadrul acestei analize s-au utilizat metode de calcul legiferate ale consumului de energie, şi anume metoda lunară şi metode orare. Prima metodă este metoda de calcul lunară, metodă reglementară cuprinsă în Metodologia de calcul naţională MC001, "Metodologia de calcul al performantei energetice a cladirilor". Cea de-a doua metodă este metoda de calcul orară simplificată, simulată cu programul CoDyBa. Cea de-a treia metodă este metoda de calcul orară avansată, simulată cu programul Trnsys.

Pe de altă parte, teza de faţă are ca scop să evidenţieze, prin studii de caz, probleme mai puţin cunoscute şi studiate care influenţează consumul de energie, cum ar fi densitatea de ocupare a spaţiilor, debitele de aer proaspăt şi stragia de ventilare. Studiile de caz studiate au fost astfel alese încât să se pună în evidenţă aceste influenţe.

Pentru a evidenţia diferitele aspecte luate în calcul de fiecare dintre metodele de evaluare a energiei necesare răcirii, s-au variat pe rând anumiţi parametri reprezentativi de intrare, cum ar fi temperatura de introducere a aerului proaspăt şi numărul de ocupanţi. S-a făcut o comparaţie între aceste situaţii pentru a putea vedea în ce măsură aceşti parametri influenţează consumul de energie. Se pot astfel găsi soluţii în cunoştinţă de cauză pentru a reduce aproximările inerente unei metode cu pas mare de timp. O serie de lucrări au arătat în ce măsură creşte incertitudinea valorilor obţinute prin metode cu pas de o lună sau de un sezon, dar din punct de vedere practic, aceste metode sunt cele preferate de aplicanţi datorită simplităţii şi rapidităţii de calcul.

Atât calculul lunar cât şi cel orar s-au făcut pentru climatizarea unei zone dintr-o clădiri de birouri (clădire monozonă), pentru perioada sezonului de răcire, în condiţiile de asigurare a temperaturii interioare de confort de 25°C.

8

Metodele utilizate pentru calculul energiei necesare răcirii clădirii se aplică pentru clădiri climatizate fără controlul umidităţii interioare.

Necesarul de răcire se calculează pentru întreaga perioada de răcire determinată, în cazul metodei lunare însumând valorile obţinute pentru fiecare lună. În cazul metodelor orare, programul CoDyBa şi programul Trnsys însumează valorile obţinute oră de oră, indicând la final consumul total de energie.

I.3. Condiţiile de confort şi calitatea aerului Deşi se urmăreşte calculul necesarului de energie, condiţiile de confort trebuie păstrate,

acestea fiind detaliate în continuare. Confortul termic este senzaţia de bună stare fizică rezultată din faptul că schimbul de căldură

dintre corpul uman şi mediul înconjurător se realizează fără suprasolicitarea sistemului termoregulator.

Pentru a se asigura confortului termic al ocupanţilor din încăperi, aerul interior trebuie să aibă anumite caracteristici, în special temperatură, umiditate, prescrise în funcţie de destinaţia încăperii. În acelaşi timp trebuie asigurată calitatea aerului interior, aceasta caracterizând conţinutul de poluanţi din încăpere. Poluanţii nu trebuie să depăşeste concentraţiile sau dozele admise (asimilate de persoane în perioada de ocupare), asigurând astfel igiena şi sănătatea persoanelor. Normele româneşti clasifică categoriile de clădiri în patru clasele IDA1 – IDA4.

Pentru a menţine calitatea aerului interior într-una dintre aceste patru categorii, este necesar introducerea de aer proaspăt prin ventilare pentru a dilua concentraţia de poluanţi din zona considerată. Standardul prevede concentraţiile maxime de dioxid de carbon pentru fiecare din cele patru clase de calitate a aerului.

Climatizarea are drept scop realizarea unei ambianţe interioare care să răspundă condiţiilor de confort termic.

Confortul termic este determinat de următorii parametri: - temperatura aerului interior, plajele de valori acceptabile pentru temperatura interioară de calcul sunt date în standardele româneşti, în funcţie de tipul de clădire şi de ceilalţi parametrii care influenţează confortul termic- îmbracamintea şi activitatea ocupanţilor - temperatura medie de radiaţie a suprafeţelor cu care corpul uman schimbă căldură prin radiaţie, - umiditatea relativă a aerului, care poate varia între 30 şi 70% păstrând o stare acceptabilă de confort termic în condiţiile de temperatură date; - viteza aerului interior, este dată în funcţie de un indice de curent DR (draught rate – indicele persoanelor deranjate de senzaţia de curent) cuprins între 10 şi 20% şi o intensitate a turbulenţei de 40% (pentru un sistem de ventilare tip amestec); - izolarea termică a îmbrăcăminţii, având unitatea de masură „clo” 1 clo = 0,155 m²°C/W - activitatea ocupanţilor care determină căldura degajată (metabolismul), având unitatea de masură „met” 1 met = 58,2 W/m².

I.4. Necesarul de energie la nivelul clădirii În vederea evaluării consumului de căldură este necesară o analiză la nivelul clădirii, pentru a

vedea parametrii de care depinde necesarul de răcire, prezentat pe scurt în continuare. Schimbul de căldură între clădire şi mediul înconjurător se poate realiza prin transfer prin

transmisie (QT) sau prin ventilare (Qv). Căldura totală pătrunsă în încăpere (aporturi) provine de la sursele de căldură exterioare

(solare) şi interioare (degajări de căldură de la oameni, iluminat şi aparatură electronică). Bilanţul de căldură la nivelul clădirii este figurat în diagrama de mai jos:

9

Fig.1.1.: Diagrama energetică pentru clădire, cazul în care există pierderi de căldură ale încăperii prin transfer de căldură prin anvelopă şi prin ventilare

Notaţii: Qsurse – căldura totală pătrunsă în încăpere, provenită de la sursele de căldură, exterioare şi interioare, în situaţia răcirii încăperilor; QS – căldura provenită de la soare, Qint – căldura degajată de sursele interioare; QT – căldura totală schimbată de clădire cu exteriorul prin transmisie QV – căldura totală schimbată de clădire cu exteriorul prin ventilare Q – energia necesară pentru răcirea clădirii;

În cazul în care aerul este introdus în încăpere cu temperatura interioară de calcul, căldura

pierdută prin ventilare este nulă, iar aerul introdus este tratat separat intr-o centrală de tratare a aerului (CTA). În acest caz, diagrama energetică este:

Fig.1.2.: Diagrama energetică pentru clădire, cazul în care există numai pierderi de căldură prin

transfer de căldură prin anvelopă I.5. Consumul de energie în clădiri

Principalii factori care influenţează consumul de energie sunt a) Timpul de ocupare a clădirii - variază de la o clădire la alta, în funcţie de destinaţia acesteia.

Numărul de ore de activitate zilnic influenţează destul de mult consumul de energie. Timpul de ocupare se referă atât la programul de funcţionare al personalului aflat în clădire, cât şi al echipamentelor de birotică, iluminat, aparate de încalzire şi ventilare.

Qs Qint

Q QT

Qv

CLADIRE

Qsurse

Qs Qint

Q QT

CLADIRE

Qsurse

10

b) Gradul de ocupare a clădirii - reprezintă un factor important in bilanţul energetic, deoarece cu cât ocuparea pe m2 este mai redusă, cu atât consumul de energie este mai mic şi invers.

c) Destinaţia clădirii - influenţează consumul de energie, având în vedere că mărirea consumurilor unitare depinde de gradul de utilare (echipare) a clădirii, precum şi de numărul de ore de utilizare a echipamentelor; factorul de corecţie poate fi luat intre 4-5% pentru fiecare variaţie cu 10% a suprafeţei ocupate.

d) Condiţiile meteorologice – sunt reprezentate prin temperatura exterioară, umiditate, intensitatea radiaţiei solare. Consumul de energie pentru încălzire, ventilare, climatizare, depinde de condiţiile climatice din zona în care se află clădirea, precum şi de temperatura interioară de calcul a clădirii respective.

I.6. Datele climatice

Din punct de vedere termic, o clădire este supusă pe de-o parte la exterior de factori meteorologici, pe de altă parte, la interior de degajări de căldură şi umiditate. Ca urmare a interacţiunii dintre clădire şi mediul exterior, calculul necesarului de energie pentru încălzire şi răcire, fiind un calcul predictiv, necesită cunoaşterea datelor climatice ale locului în care este amplasată clădirea, obţinute prin prelucrarea statistică a datelor meteorologice.

Pentru utilizare în aplicaţiile de consumuri energetice anuale pentru încălzirea şi răcirea clădirilor, este necesar a avea un an climatic « standard ». Anul meteorologic standard (tip) a fost construit pentru toate capitalele de judeţ din România, astfel încât valorile medii, distribuţia frecvenţelor şi corelaţiile dintre diversele caracteristici meteorologice să se păstreze cât mai bine. Datele meteorologice înregistrate timp de 10 ani (1996-2006) au fost prelucrate de către Agenţia Naţională de Meteorologie şi Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti.

Metoda folosită pentru construcţia anului tip este standardizată. Această metodologie presupune derularea a două etape de construcţie a anului de referinţă:

a) alegerea celei mai “bune” luni; b) ajustarea valorilor orare din lunile consecutive astfel încât trecerea de la o lună la alta să

conserve corelaţia dintre variabile considerate. Anul standard este compus din „luni tipice”, alese din datele meteorologice înregistrate

(completate prin interpolare când a fost necesar). Alegerea unei luni tipice privitoare la un parametru climatic p (temperatură, umiditate relativă şi radiaţie solară) s-a realizat astfel:

1) S-au calculat mediile zilnice pentru parametrul p, pe baza datelor orare, măsurate în fiecare lună „L” şi pentru fiecare an „A” din cei 10 ani,

2) S-a construit funcţia cumulativă empirică de probabilitate FLAp a mediilor zilnice ale parametrului climatic p considerat, calculate pentru luna „L", pentru fiecare an în parte:

( )AanulLdinlunainppentrumasuratemediivaloridetotal.nr1

AanulLdinlunainppentrumasurate,tmediivaloride.nrtFLAp +

≤=

3) s-a construit funcţia cumulativă de probabilitate FLp a mediilor zilnice ale parametrului climatic pe baza mediilor zilnice ale lunii respective din toţi anii utilizaţi în calcul.

( )iconsiderataniitotiLdinlunainppentrumasuratemediivaloridetotal.nr1

iconsiderataniitotiLdinlunainppentrumasurate,tmediivaloride.nrtFLp +

≤=

4) Pentru fiecare luna L considerată, s-a determinat statistica Finkelstein-Schafer ( )LpLAp F,FFS , ca distanţă dintre FLAp şi FLp definită prin :

( )( )

n

|tF)t(F|F,FFS i

iLpiLAp

LpLAp

∑ −= (1.1)

unde: n - numărul de termeni din suma de la numărător; it - puncte, câte unul pe fiecare interval, pe care funcţia ( ) |tF)t(F| LpLAp − este constantă, ( ) |tF)t(F| LpLAp − fiind o funcţie constantă pe porţiuni.

11

5) Pentru fiecare parametru climatic pentru luna calendaristică L se aranjează anii A în ordine crescătoare a valorii ( )LpLAp F,FFS . În principiu se alege ca lună tipică luna din acel an A pentru care distanţa Finkelstein-Schafer este minimă. Acest lucru exprimă faptul că din punct de vedere al statisticii parametrului climatic considerat, informaţiile furnizate de datele din luna aleasă din anul A se apropie cel mai mult de informaţiile date de măsurătorile din toţi anii de observaţie pentru luna respectivă.

În cazul în care se construieşte un an tipic din punctul de vedere al mai multor parametri climatici, trebuie ţinut seama de fiecare parametru p. În metoda folosită în, pentru fiecare parametru climatic p pentru luna calendaristică L se aranjează anii A în ordine crescătoare a valorii

( )LpLAp F,FFS .

Se defineşte susmaidecrescatorsirulinAanuluirangulrLAp = şi se calculează distanţa

∑=p

LApLA rD (1.2)

Dacă se utilizează această metodă, distanţa DLA se defineşte: ( )∑=

pLpLAppLA F,FFSwd

(1.3)

Unde wp reprezintă valorile asociate fiecărui parametru, funcţie de importanţa acordată acelui parametru (ponderea).

În principiu, luna de referinţă pentru luna calendaristică L se ia luna din anul pentru care LAD este minimă. Însă standardul mai prevede ca să se ţină seama în secundar de o altă

caracteristică meteorologică, viteza vântului, în felul următor: a) Pentru fiecare lună calendaristică L se iau lunile din primii trei ani din şirul de ani ordonat

crescător după LAD b) Pentru fiecare lună L din cele 3 luni se calculează modulele diferenţelor dintre viteza medie a

vântului pentru luna L din anul respectiv şi viteza medie calculată pentru luna L pe ansamblul tuturor anilor. Ca lună L tipică se alege luna din aceşti 3 ani pentru care diferenţa este cea mai mică.

După alegerea unei luni tipice pentru fiecare lună calendaristică, deoarece s-ar putea ca lunile tipice să fie din ani diferiţi şi deci la frontiera dintre ele ar putea să apară discontinuităţi mari între valorile parametrilor climatici consideraţi, se trece la etapa a doua, care constă în netezirea tranziţiei (prin tehnici de lisare), utilizând ultimile 8 ore din prima lună şi primele 8 ore din luna următoare.

Anul de referinţă a fost astfel construit pentru cele 43 locaţii ale staţiilor meteorologice judeţene (incluzând şi cele două staţii ale municipiului Bucureşti), pentru următorii parametri meteorologici: temperatura aerului [oC]; umiditatea relativă [%] ; temperatura punctului de rouă [oC]; conţinutul de umiditate [g/kg]; viteza vântului [m/s]. Pentru staţiile meteorologice Bucureşti-Afumaţi, Constanţa, Galaţi, Iaşi, Cluj-Napoca, Craiova şi Timişoara anul de referinţă a fost construit şi pentru radiaţia directă şi difuză [cal/cm2]. În toate situaţiile, viteza vântului a fost considerată ca variabilă secundară, iar celelalte variabile au fost considerate principale.

Deşi există baza de date cu parametrii climatici şi pentru Bucureşti, totuşi aceasta nu conţine date suficiente referitoare la radiaţia solară pentru a putea fi folosită în calculul consumului de energie. Aşa cum s-a descris mai sus, anul tipic este structurat pe calupuri de date furnizate pentru fiecare lună. Astfel, dacă una dintre aceste date lipseşte (şi anume radiaţia solară), nu se pot folosi nici celelalte date meteorologice incluse în anul de referinţă, deoarece ar conduce la erori semnificative să considerăm valoarea radiaţiei furnizată de altă bază de date iar restul parametrilor să fie luaţi din baza de date a anului tipic meteorologic.

De aceea, datele climatice utilizate în lucrarea de faţă (temperatura exterioară şi intensitatea radiaţiei solare) au fost determinate prin medierea valorilor orare furnizate de baza de date Meteonorm a programului de simulare Trnsys, pentru fişierul meteo Bucureşti.

12

În cadrul programul de simulare Trnsys valorile temperaturii exterioare şi ale radiaţiei solare sunt furnizate oră de oră prin intermediul subrutinei Type109-TMY2-Weather, subrutină ce conţine fişierul meteo realizat cu ajutorul programului Meteonorm şi care are rolul de a citi şi procesa datele din fişierul meteo introdus.

Pe lângă interesul direct de utilizare a datelor climatice în simulările pentru studiile de caz prezentate în capitolele 2 şi 3, analiza modului în care trebuie prelucrate datele climatice pune în evidenţă particularităţile metodei statistice utilizate, în concordanţă cu aplicaţiile care au un caracter de prognoză (în cazul de faţă a consumurilor de energie din clădiri)

Capitolul 2: CALCULUL CONSUMULUI DE ENERGIE PENTRU CLIMATIZAREA CLĂDIRILOR PRIN CALCUL LUNAR II.1. Descrierea generală a metodei de calcul Metoda de calcul lunară se aplică pentru clădirile rezidenţiale sau nerezidenţiale sau părţi ale

acestora, climatizate, fără controlul umidităţii interioare. Se consideră numai căldura sensibilă, nu şi cea latentă. Metoda are ca obiectiv calculul energiei necesare răcirii clădirilor pentru asigurarea unei

temperaturi interioare prescrise precum şi al energiei consumate de sistemul de climatizare pentru realizarea acestui scop.

Perioada de calcul utilizată de metoda prezentată este de o luna. Pentru fiecare lună de calcul, necesarul de energie pentru răcire este calculat cu relaţia:

Trsurse ηQQRQ −= (2.1)

Transferul total de căldură intre clădire şi exterior este: VT QQTrQ += (2.2)

Căldura totală datorată surselor interioare este Qsurse: Sintsurse QQQ += (2.3)

Necesarul de energie pentru răcire cuprinde următoarele etapele de calcul : -calculul transferului de căldură prin transmisie -calculul transferului de căldură ventilaţie -calculul aporturilor solare -calculul aporturilor de căldură ale surselor interne -calculul parametrilor dinamici -calculul necesarului total de energie pentru răcire În continuare vor fi prezentate relaţiile de calcul aferente acestei metode cu valori numerice

pentru clădirea de birouri folosită în studiile de caz, clădire prezentată la subcapitolul II.2. Ipoteze de calcul.

II.1.1. Transferul de căldură

Prin transmisie

Calculul coeficienţilor de transfer prin transmisie Transferul de căldură prin transmisie cuprinde transferul unidirecţional prin suprafeţe şi

transferul datorat punţilor termice. HT = L+Ls+Hu (2.4)

L - coeficientul de cuplaj termic prin anvelopa clădirii, în [W/K]; kkjj l*A*UL ∑ψ+∑= (2.5)

13

Elementul de construcţie Rj Uj = 1/Rj Aj Uj * Aj Σψj * lj L

[ - ] [ m²K/W] [ W/m²K ] [ m² ] [ W/K ] [ w/m²K ] [ W/K ]

Perete exterior 1.83 0.55 340.92 185.83 14.08 199.91

Ferestre 0.78 1.29 43.20 55.60 0.00 55.60 Terasă 3.65 0.27 225.07 61.63 11.14 72.77

Tabel 2.1.: Calculul coeficientului de cuplaj termic prin anvelopa clădirii

Ls - coeficientul de cuplaj termic prin sol, în [W/K]; Elementul de construcţie Rj Uj = 1/Rj Aj Uj * Aj Σψj * lj Ls

[ - ] [ m²K/W] [ W/m²K ] [ m² ] [ W/K ] [ w/m²K ] [ W/K ]

Placă pe sol 5.77 0.17 225.07 38.99 73.45 112.44

Tabel 2.2.: Calculul coeficientului de cuplaj termic prin sol

Hu - coeficientul de pierderi termice prin spaţii neîncălzite, în [W/K];Hu = 0 Influenţa punţilor termice este introdusă în expresia coeficientului L şi Ls. Valorile coeficienţilor de transfer HT sunt calculaţi în funcţie de tipul fiecărui element de

construcţie. Coeficient total de transfer termic prin transmisie HT = 440,72 W/K

Calculul fluxului disipat prin transmisie Fluxul total de căldură cedat prin transmisie este calculat pentru fiecare lună cu relaţia :

)]-(*H[ ke,in

1kk,TT

θθ∑=φ=

(2.6)

Energia disipată prin transmisie: t*Q TT φ= (2.7) θi - temperatura interioară a clădirii sau a zonei considerate; θe,k - temperatura spaţiului exterior elementului k ; t – durata de calcul.

Sezonul de răcire HT [W/K] θi [°C] θe [°C] ФT [W]

Martie

440.727 25

4.79 -8907 Aprilie 11.08 -6135

Mai 16.74 -3640 Iunie 19.98 -2212 Iulie 22.04 -1305

August 21.3 -1631 Septembrie 16.74 -3640 Octombrie 10.89 -6219 Noiembrie 5.13 -8757

Tabel 2.3.: Calculul fluxului disipat prin transmisie

Fluxul disipat prin transmisie, respectiv energia, rămân aceleaşi pentru fiecare caz studiat, deoarece în calculul acestora nu se regăsesc nici temperatura de introducere, nici numărul de ocupanţi, aceştia fiind parametrii care variază pe parcursul studiilor.

Prin ventilare

Calculul coeficienţilor de transfer prin ventilare vaaV V*c*ρ=H (2.8)

ρa ca - capacitatea calorică a aerului refulat poate fi considerată cu valoarea de 1200 J/m3K Vv – debitul de aer proaspăt

14

Debitul de aer proaspăt s-a calculat pentru categoria de ambianţă II - nivel normal recomandat clădirilor noi sau renovate. Acesta corespunde unei categorii de calitate a aerului interior IDA 2, pentru o calitate medie a aerului interior.

Se consideră un debit de aer proaspat de 25 m3/h/pers pentru fiecare ocupant, în mediu în care nu se fumează, si respectiv un debit specific de aer proaspat de 2,52 m3/(h*m2) pentru clădirile puţin poluate .

Bppersv q*Aq*NV += (2.9)

unde: Npers – numărul de persoane; qp – debitul de aer proaspăt pentru o persoană, [l/s/pers sau m3/h/pers]; A – aria suprafeţei pardoselii [m2], A=675,21 m2 ; qB – debitul de aer proaspăt, pentru 1 m2 de suprafaţă, [l/s/m2 sau m3/h/m2]; Calculul fluxului disipat prin ventilare

Fluxul pierdut-primit de către clădire prin ventilare este calculată cu relaţia :

)]-(*H[ kintr,in

1kk,vV θθ∑=φ

= (2.10)

Energia disipată prin ventilare: t*Q VV φ= (2.11) unde θintr,k - temperatura spaţiului exterior elementului k,;

În cazul în care debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura interioară, diferenţa de

temperaturi este nulă şi astfel şi energia disipată prin ventilare este nulă.

II.1.2. Aporturile interioare de căldură Aporturile solare

Calculul aporturilor solare rămâne acelaşi pentru toate cazurile studiate, deoarece acestea nu sunt influenţate nici de temperatura de introducere a aerului, nici de gradul de ocupare al clădirii. Aria de captare efectivă a radiaţiei solare pentru elemente vitrate

( ) FtuF,S A*F1**FA −τ= (2.12)

Orientare AF τn Fτ Fu Ft τ AS,F

[-] [m2] [-] [-] [-] [-] [-] [m2]

S 43.20 0.75 0.90 1.00 0.20 0.675 23.33

Tabel 2.4.: Calculul ariei de captare efectivă a radiaţiei solare pentru elemente vitrate

Aria de captare efectivă a radiaţiei solare pentru elemente opace ppse,ppp,s A*U*R*A α= (2.13)

Valorile numerice ale acestor coeficienţi sunt: pα = 0,7 pentru perete exterior (tencuială ciment) şi 0,91 pentru terasă (pietriş);

Rp,se = 0,083 m2K/W (pentru situaţia de vară hre=12) ; Up = 0,59 W/m2K pentru perete exterior şi Up = 0,32 W/m2K pentru terasă.

Orientare Element AP U’ αP Rp,se AS,P

[-] [-] [m2] [w/m2k] [-] [m2K/W] [m2]

S Perete exterior 270.63 0.59 0.70 0.083 9.26 E Perete exterior 70.29 0.59 0.70 0.083 2.40

Oriz Terasă 225.07 0.32 0.91 0.083 5.52

Tabel 2.5.: Calculul ariei de captare efectivă a radiaţiei solare pentru elemente opace

15

Radiatia termică înspre cer ceree,rpppcer *h*A*U*R −θ∆=Φ (2.14)

hr,e – coeficient de transfer de căldură prin radiaţie la exterior, [W/m2K] ; ε∗= 5h re , hre=5 W/m².K

cere−∆θ - diferenţa medie de temperatură dintre aerul exterior şi temperatura aparentă a bolţii cereşti; Pentru România cere−θ∆ =11 ºC . Calculul efectiv al aporturilor solare

Ori

enta

re

Ele

men

t co

nstr

uctie

lung

ime

(m)

inal

time/

la

time

(m)

Nr.

elem

ente

Supr

afat

a (m

²)

Supr

afat

a co

rect

ata

(m²)

Rez

iste

nta

(m2 K

/W)

As,p (m²)

As,fe (m²)

Фcer (W) Fu Fsu Ff

Sud Perete

exterior 31.7 9.9 1 313.83 270.63 1.705 9.26 727.34 1 1 0.5 Fereastra 1.5 1.2 24 43.2 - 0.777 23.33 254.85 1 1 0.5

Est Perete exterior 7.1 9.9 1 70.29 - 1.705 2.40 188.91 1 1 0.5

Oriz Terasa 31.7 7.1 1 225.07 - 3.093 5.52 333.52 1 1 1 martie aprilie mai iunie iulie

Is (W/m²) Фs (W) Is

(W/m²) Фs (W) Is (W/m²) Фs (W) Is

(W/m²) Фs (W) Is (W/m²) Фs (W)

110.06 655.16 122.23 767.82 114.4 695.247 114.72 698.302 120.67 753.382 110.06 2440.05 122.23 2723.96 114.4 2541.064 114.72 2548.762 120.67 2687.564 71.84 78.27 114.33 180.43 132.6 224.333 152.3 271.722 76.0 88.273 119.0 323.10 184.9 686.70 225.0 907.813 266.8 1138.863 262.8 1116.900

Σ 3496.59 Σ 4358.9 Σ 4368.457 Σ 4657.649 Σ 4646.118 august septembrie octombrie noiembrie

Is (W/m²) Фs (W) Is

(W/m²) Фs (W) Is (W/m²) Фs (W) Is

(W/m²) Фs (W)

140.3 935.098 150.76 1031.927 139.73 929.822 84.7 420.404 140.3 3145.493 150.76 3389.504 139.73 3132.196 84.7 1848.456

139.98 242.101 107.3 163.480 75.79 87.768 37.3 -4.774 235.9 968.128 169.8 603.646 112.8 289.105 57.9 -14.014

Σ 5290.820 Σ 5188.557 Σ 4438.890 Σ 2250.072 Tabel 2.6.: Calculul fluxul de căldură datorat aporturilor solare pentru fiecare lună

Aporturile interne

Fluxul de căldură datorat surselor interne:

ile,apocint Φ+Φ+Φ=Φ (2.15) Fiecare flux de căldură s-a calculat ţinând seama de programul de funcţionare, şi anume 8

ore/zi pentru persoane şi aparatură electronică şi 4 ore/zi ăentru iluminat, 5 zile/săptămână.

16

Căldura degajată de ocupanti s-a calculat considerând o degajare de 75 W/persoană, (deoarece metodologia MC001 utilizează doar căldura sensibilă):

75

248

75 **pers/W*N=Φ persoc (2.16)

Căldura degajată de aparatura electronică s-a calculat considerând o degajare de 100 W/aparat:

75

248

100 **pers/W*N=Φ e,ape,ap (2.17)

Căldura degajată de iluminat s-a calculat considerând o degajare de 10 W/mp, aria totală a clădirii Atotală =6755 m2:

W.=**m/W*A=Φ totalail 8280375

244

10 2 (2.18)

Aceste valori ale căldurilor degajate de către oameni, electronice şi iluminat sunt valori reglementare.

II.2. Ipoteze de calcul

II.2.1. Ipoteze legate de clădire Calculului energetic se aplică pentru o zonă dintr-o clădire de birouri din Bucureşti, cu trei

nivele (P+2), suprafaţa construită 225 m2, având lungimea de 31,7 m, lăţimea de 7,1 m şi înălţimea de nivel de 3,3 m. Conturul clădirii este delimitat de doi pereţi exteriori (unul orientat spre sud, cu lungimea de 31,7 m şi unul orientat spre est, cu lungimea de 7,1 m) şi doi pereţi interiori. Peretele exterior dinspre sud are câte 8 ferestre pe fiecare nivel, acestea având lungimea de 1,5 m şi înălţimea de 1,2 m. Zona de clădire considerată are 8 birouri pe fiecare nivel, având în total 66 de ocupanţi.

Structura detaliată a clădirii, materialele componente pentru fiecare tip de element de construcţie utilizat sunt prezentate în teză, din lipsă de spaţiu acestea nu au mai fost introduse în rezumatul de faţă.

31.7

7.1

N

S

EV

Fig.2.1.: Clădirea de birouri considerată

II.2.2. Programul de funcţionare

Programul de lucru al angajaţilor este de la ora 9.00 pana la ora 17.00 în timpul săptămânii, de luni pâna vineri.

S-a considerat acelaşi program de funcţionare şi pentru aparatura electronică din birouri (PC, laptop, imprimanta, copiator).

Scenariu pentru iluminat este diferit faţă de cel pentru activitatea persoanelor, iluminatul fiind disponibil de la ora 8.00 la ora 10.00 şi de la 16.00 la 18.00. S-a considerat că programul de funcţionare pentru iluminat trebuie să înceapă înaintea programului de lucru al angajaţilor, deoarece personalul de serviciu care asigură curăţenia trebuie să vină cu o ora mai devreme decât angajaţii şi să plece mai tarziu. De asemenea s-au luat în calcul situaţiile când unii angajaţi pot să rămână peste program la birou.

17

II.3. Studii de caz

S-au analizat 4 studii de caz, în care au fost modificate pe rând temperatura de introducere a aerului proaspăt şi densitatea de ocupare a clădirii. Ipotezele de calcul au rămas aceleaşi pentru toate cazurile studiate.

Din lipsă de spaţiu, în rezumatul de faţă se detaliază doar primele două cazuri, şi rezultatele finale centralizate, restul cazurilor sunt tratate pe larg în teză. (cazul 3: Variaţia numarului de ocupanţi – 3a. Numărul de persoane creşte, 3b. Numărul de persoane scade, Cazul 4: Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatură variabilă).

II.3.1. Cazul 1 de referinţă - Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura interioară de calcul

Calculul energiei disipate prin transmisie şi cel al aporturilor solare rămân cele calculate anterior. Transferul de căldură prin ventilaţie

Pentru 66 de persoane, debitul de aer proaspăt, calculat conform formulei (2.9), are valoarea Vv = 3351 m3/h, rezultând 1,5 schimburi de aer pe oră.

Datorită faptului că aerul proaspăt este introdus cu temperatura interioară de calcul, coeficientul de transfer Hv şi energia disipată prin ventilare Qv sunt nule.

Aporturile de căldură ale surselor interioare

W.=**pers/W*N=Φ persoc 57117875

248

75 (2.19)

W43.157175

*248

*pers/W100*N e,ape,ap ==Φ (2.20)

W.=**m/W*A=Φ totalail 8280375

244

10 2 (2.21)

Aporturile interioare totale sunt Фint = 3553,82 W. Determinarea sezonului de răcire

Se calculează temperatura medie exterioară de echilibru:

VT

sintiem HH

)(*

+

φ+φη−θ=θ (2.22)

Sezonul de răcire se determină prin metoda grafică, intersectând curba de temperaturi medii lunare exterioare cu temperatura medie exterioară de echilibru. Astfel a rezultat că perioada necesară răcirii este 1 aprilie – 22 octombrie – 205 zile.

0

5

10

15

20

25

mar. apr. mai iun. iul. aug. sept. oct. nov.

temp.exterioara

temp.echilibru

Fig.2.2.: Determinarea sezonului de răcire

18

Determinarea necesarului de răcire Considerând paşii de calcul prezentaţi anterior, se calculează fluxurile necesară pentru răcire,

presupunând că pentru toate zilele lunii, controlul şi setarea termostatului de ambianţă corespunde unei situaţii de răcire în regim continuu.

Luni cu o posibilă

climatizare zile ore

(h) QT

(kWh) Qv

(kWh) Qint

(kWh) Qs

(kWh) QTR

(kWh) Qsurse

(kWh) η QR,cont (kWh)

Martie 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 Aprilie 30 720 -4417 0 2559 3138 -4417 5697 1 1280

Mai 31 744 -2708 0 2644 3250 -2708 5894 1 3186 Iunie 30 720 -1593 0 2559 3354 -1593 5912 1 4319 Iulie 31 744 -971 0 2644 3457 -971 6101 1 5130

August 31 744 -1213 0 2644 3936 -1213 6580 1 5367 Septembrie 30 720 -2621 0 2559 3736 -2621 6295 1 3673 Octombrie 22 528 -3283 0 1876 2344 -3283 4220 1 937 Noiembrie 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0

Tabel 2.7.: Calculul necesarului de energie pentru răcire în regim continuu

Energia totală necesară răcirii pe perioada sezonului de răcire este QR=23893 kWh. Variaţia lunară a fluxurilor de căldură

Având în vedere că aportul de căldură datorat ventilării este nul, acesta nu mai este necesar sa fie reprezentat grafic.

Variatia lunara a fluxurilor de caldura

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

Martie Aprilie Mai Iunie Iulie August Septembrie Octombrie Noiembrie

[kW]

Φ s

Φ T

Фint

Fig.2.3.: Variaţia aporturilor de căldură

19

Variatia lunara a consumului de energie

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Aprilie Mai Iunie Iulie August Septembrie Octombrie

[kWh]

Q racire

Fig.2.4: Variaţia consumului de energie pentru răcirea clădirii

II.3.2. Cazul 2: Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura exterioară

În acest caz, singura componentă care se modifică faţă de cazul precerdent este necesarul de răcire pentru ventilare, restul datelor de intrare rămân aceleaşi. Transferul de căldură prin ventilaţie

Sezon de racire Hv (W/°C) θi (°C) θintr (°C) ФV (W)

Martie

1117 25

4.79 -22578

Aprilie 11.08 -15551 Mai 16.74 -9228 Iunie 19.98 -5608 Iulie 22.04 -3307

August 21.3 -4134 Septembrie 16.74 -9228 Octombrie 10.89 -15763 Noiembrie 5.13 -22198

Tabel 2.8.: Calculul fluxului disipat prin ventilare Determinarea sezonului de răcire

Temperatura medie exterioară de echilibru θem se calculează conform formulei (2.22):

0

5

10

15

20

25

mar. apr. mai iun. iul. aug. sept. oct. nov.

temp.exterioara

temp.echilibru

Fig.2.5: Determinarea sezonului de răcire

1280

3186 4319

5130 5367

3673

937

20

Sezonul de răcire rezultat pe cale grafică este 15 iunie – 30 august – 77 zile. Determinarea necesarului de răcire

Luni cu o posibilă

climatizare zile ore

(h) QT

(kWh) Qv

(kWh) Qint

(kWh) Qs

(kWh) QTR

(kWh) Qsurse

(kWh) η QR,cont (kWh)

Martie 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 Aprilie 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0

Mai 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 Iunie 16 384 -850 -2154 1365 1789 -3003 3153 1 150 Iulie 31 744 -971 -2460 2644 3457 -3431 6101 1 2670

August 30 720 -1174 -2976 2559 3809 -4150 6368 1 2218 Septembrie 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 Octombrie 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 Noiembrie 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0

Tabel 2.9.: Calculul necesarului de energie pentru răcire în regim continuu Energia totală necesară răcirii pe perioada sezonului de răcire este QR=5038 kWh.

Variaţia lunară a fluxurilor de căldură

Variatia lunara a fluxurilor de caldura

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

Martie Aprilie Mai Iunie Iulie August Septembrie Octombrie Noiembrie

[kW]

Φ sΦ TФV Фint

Fig.2.6.: Variaţia aporturilor de căldură

Variatia lunara a consumului de energie

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Iunie Iulie August

[kWh]Qracire

Fig.2.7: Variaţia consumului de energie pentru răcirea clădirii

150

2670 2218

21

II.3.5. Comparaţie între cazuri şi concluzii

Cazul studiat Date de intrare Perioada de racire

Numărul de zile

Necesarul de racire pentru cladire (kWh)

Cazul 1 de referintă θintr=θi 1 aprilie – 22 octombrie 205 23893 Npers=66

Cazul 2 θintr=θe 15 iunie – 30 august 77 5038 Npers=66

Cazul 3a θintr=θi 7 martie – 15 noiembrie 254 39625 Npers=135

Cazul 3b θintr=θi 7 aprilie – 22 octombrie 199 19458 Npers=45

Cazul 4 θintr=var. 1 iunie – 28 septembrie 120 12044 Npers=66

Tabel 2.10.: Tabel centralizator cu diferitele cazuri studiate

Necesarul de racire pentru diferite situatii

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

1

[kWh]

cazul 1 referinta

cazul 2

cazul 3a

cazul 3b

cazul 4

Fig.2.8.: Energia consumată necesară răcirii pentru diferitele cazuri studiate

Din punct de vedere al temperaturii de introducere, dacă aceasta este egală cu

temperatura exterioară, se remarcă o scădere substanţială a sezonului de răcire şi implicit şi a consumului de energie pentru răcire faţă de cazul de referinţă în care temperatura de introducere este temperatura interioară de calcul de 25oC. Acest lucru se datorează faptului că în primul caz de referinţă pierderile de căldură prin ventilare sunt nule şi astfel aporturile interne de căldură sunt amplificate faţă de cazul al doilea. În cazul introducerii aerului cu temperatura interioară aporturile sunt mai mari decât pierderile de căldură, ceea ce conduce la un sezon de răcire mai mare.

În cazul al doilea, când aerul proaspăt este introdus cu temperatura exterioară, se remarcă o perioadă de răcire scurtă şi o valoarea redusă a consumului de energie pentru răcirea clădirii. Acest lucru se datorează faptului că metoda lunară operează cu temperaturi medii exterioare lunare care uneori sunt mai mici decât cele interioare.

Prin urmare pe perioada verii este posibil să avem pierderile de căldură prin transfer, ceea ce nu corespunde cu realitatea.

Pierderile de căldură prin ventilare amplifică faptul că metoda lunară introduce pierderi de căldură foarte importante, în timp ce în realitate aerul proaspăt trebuie răcit în perioada de utilizare.

Ponderea cu care energia disipată prin ventilare influentează rezultatul este direct proportională cu cantitatea debitului de aer proaspăt introdus.

Din cauza acestei presupuneri, calculele realizate prin metoda lunară scapă din vedere consumurile sistemului de ventilare pentru răcirea debitului de aer proaspăt deoarece se consideră că

22

acesta este introdus cu temperatura exterioară mai mică decât temperatura interioară de calcul tot timpul, ceea ce nu corespunde cu realitatea.

Cazul 4 în care temperatura de introducere este variabilă în funcţie de valoarea temperaturii exterioare este cel mai economic. Se remarcă o scădere aproape la jumătate a perioadei de răcire şi a consumului de energie faţă de primul caz. Rezultatele obtinute in acest studiu de caz se apropie mult mai mult de realitate decât cele din studiul de caz 2 deoarece nu mai sunt introduse pierderi de caldura prin transfer în lunile de vârf şi datorită faptului că se ia în considerare răcirea debitului de aer proaspăt în anumite perioade.

Din punct de vedere al variaţiei numărului de ocupanţi, dacă aporturile interne se calculează în funcţie de numărul de ocupanţi şi aparatură electronică, perioadele de răcire variază direct proporţional cu acest număr.

Pentru cazul în care numărul de persoane creşte (135 persoane), sezonul de răcire creşte cu două luni, proporţional cu numărul de persoane dublat. La fel creşte şi necesarul de energie

Pentru cazul în care numărul de persoane scade (45 persoane), sezonul de răcire rămâne aproximativ acelaşi. Consumul de energie scade.

Capitolul 3: CALCULUL CONSUMULUI DE ENERGIE PENTRU CLIMATIZAREA CLĂDIRILOR PRIN METODE DINAMICE SIMPLIFICATE III.1. Metoda orară bazată pe analogia termo-electrică Calculul consumului de energie pentru o clădire poate fi determinat prin calcul lunar sau

calcul orar, simplificat sau detaliat. Metodele orare sunt metode dinamice, cu pas de timp de o oră sau chiar mai mic. În comparaţie cu metoda lunară, cele orare permit introducerea unor scenarii de funcţionare orare referitoare la temperaturile prescrise, modul de ventilare, sursele interioare de căldură, utilizarea dispozitivelor de umbrire etc.

În consecinţă, modelarea realizată este mai apropiată de fenomenele fizice şi de regimul de utilizare, de aceea rezultatele obţinute sunt mai apropiate de realitate.

Metodele orare sunt în mod special de preferat celei lunare în cazul clădirilor cu inerţie termică mare, cu intermitenţă mare de funcţionare sau în alte situaţii speciale.

Metoda orară care se prezintă în continuare are la bază un model analogic termo - electric şi utilizează o schemă de tip R-C (Rezistenţe - Capacităţi). Este o metodă dinamică ce modelează rezistenţele şi capacităţile termice precum şi fluxurile de căldură emise de sursele interioare.

Analogia electrică are ca scop crearea unei reţele electrice pe baza ecuaţiilor ce definesc fenomenul termic. Pentru a putea aplica analogia electrică, este nevoie mai întâi de o discretizare spaţială a problemei (metoda nodală), prin metoda diferenţelor finite. Această discretizare permite transformarea ecuaţilor cu derivate parţiale aferente problemei într-un sistem de ecuaţii algebro-diferenţiale.

III.1.1. Rezolvarea ecuaţiei căldurii prin metoda diferenţelor finite. Aplicarea analogiei

electrice pentru un perete omogen. Se consideră un perete compus din mai multe straturi omogene, pentru care schema

analogica este prezentată mai jos:

Fig. 3.1. Schema analogica a unui perete multistrat

23

Unde Ci – capacitatea calorifică aferentă nodului i, mi c*x*C ∆ρ=

Ri-1, i - rezistenţa termică între nodurile i-1 şi i, λ∆

=x

R

cm – căldura masică a materialului (J/kgK) ρ – densitatea materialului(kg/m3) λ – conductivitatea termică a materialului (W/mK) ∆x – pasul de discretizare spaţial (grosimea stratului peretelui) (m) Dacă aplicăm legea lui Kirchoff în fiecare nod, la un moment de timp k+θ dat, vom ajunge la

ecuaţia:

)TT(U)TT(UTT

C ki

k1i1i,i

ki

k1ii,1i

k

ii

θ+θ+++

θ+θ+−−

θ+−+−=

∂∂

(3.1)

Unde U=1/R - conductanţa termică În cazul unui perete simplu, cu un singur strat, domeniile în care a fost discretizat peretele ar

avea conductanţe termice egale, şi deci

)TT2T(RC1

TT k

1iki

k1i

k

i

θ++

θ+θ+−

θ++−=

∂∂

(3.2)

Considerăm că trecerea căldurii se va face unidirecţional, corespunzător axei Ox, şi că nu avem surse interioare de căldură (φv= 0), astfel ecuaţia căldurii se scrie :

tT

x

Ta

2

2

∂∂

=∂

∂ (ecuaţia Fourier pentru transmiterea unidirecţională a căldurii) (3.3)

Se alege un pas de timp ∆t şi un pas de spaţiu ∆x, şi ne poziţionăm la un moment intermediar k+θ.

Fig.3.2. Reţea unidimensională cu diferenţe finite

Folosind dezvoltarea în serie Taylor, discretizarea în spaţiu la momentul k+θ pentru planul i

θ+θ+θ+θ++

∂

∂∆+

∂∂

∆+= ki2

22ki

ki

k1i )

x

T(

2x

)xT

(*xTT (3.4)

θ+θ+θ+θ+−

∂

∂∆+

∂∂

∆−= ki2

22ki

ki

k1i )

x

T(

2x

)xT

(*xTT (3.5)

Adunând cele două relaţii, rezultă expresia derivatei de ordin doi a temperaturii :

2

k1i

ki

k1i

k

i2

2

x

TT2T

x

T

∆

+−=

∂

∂θ+

−θ+θ+

+θ+

(3.6)

Introducem acaestă expresie în ecuaţia căldurii :

24

2

k1i

ki

k1i

k

i2

2

x

TT2Ta

x

Ta

∆

+−=

∂

∂θ+

−θ+θ+

+θ+

(3.7)

Înlocuim difuzivitatea termică cu acm

=ρλ

[m3/s] Aceasta reprezintă aptitudinea unui corp

solid de a lăsa să treacă căldura prin conducţie sau de a difuza temperatura în interiorul lui, fiind o măsură a inerţiei termice a corpului. Ecuaţia devine:

(3.8)

Expresia este echivalentă cu

(3.9)

Ţinând cont de formula pentru rezistenţa R şi capacitatea C, ajungem la aceeaţi expresie ca în cazul aplicării legii lui Kirchoff pentru fiecare nod, şi anume:

)TT2T(RC1

tT k

1iki

k1i

k

i

θ++

θ+θ+−

θ+

+−=

∂∂

(3.10)

Drept urmare, aplicarea metodei nodale este echivalentă cu discretizarea spaţială prin metoda diferenţelor finite, şi conduce la o aproximare de ordinul doi a ecuaţiei căldurii.

Discretizarea în timp la momentul k+θ pentru planul i se face pe acelaşi principiu ca şi

discretizarea în spaţiu: θ+θ++

∂∂

θ−∆+= ki

ki

1ki )

tT

(*)1(tTT (3.11)

θ+θ+∂∂

θ∆−= ki

ki

ki )

tT

(**tTT (3.12)

Derivata temperaturii în funcţie de timp este:

t

TT)

tT

(ki

1kik

i ∆

−=

∂∂

+θ+ (3.13)

Introducând cele două derivate în funcţie de spaţiu şi timp, ecuaţia căldurii devine :

t

TT

x

TT2Ta

ki

1ki

2

k1i

ki

k1i

∆

−=

∆

+− +θ+−

θ+θ++ (3.14)

Vom exprima toate temperaturile în funcţie de cele de la momentele de timp k şi k+1 : ki

1ki

ki

1ki

ki

ki

ki

ki T)1(T*)TT(T)

tT

(**tTT θ−+θ=−θ+=∂∂

θ∆+= ++θ+θ+ (3.15)

Generalizând rezultatul şi pentru planurile i+1 şi i-1, avem : k

1i1k

1ik

1i T)1(T*T +++

θ++ θ−+θ= (3.16)

k1i

1k1i

k1i T)1(T*T −

+−

θ+− θ−+θ= (3.17)

Introducând noile relaţii în ecuaţia căldurii stabilită mai sus, avem:

t

TT

x

T)1(TT)1(2T2T)1(Ta

ki

1ki

2

k1i

1k1i

ki

1ki

k1i

1k1i

∆

−=

∆

θ−+θ+θ−−θ−θ−+θ +−

+−

++

++ (3.18)

t

TT)TT2T(

x

)1(a)TT2T(

x

aki

1kik

1iki

k1i2

1k1i

1ki

1k1i2 ∆

−=+−

∆

θ−++−

∆

θ+

−++−

+++ (3.19)

)TT2T(xc

)x

T(a k

1iki

k1i2

m

ki2

2θ+

+θ+θ+

−θ+ +−

∆ρ

λ=

∂

∂

)TT2T(xc

)tT

( k1i

ki

k1i2

m

ki

θ++

θ+θ+−

θ+ +−∆ρ

λ=

∂∂

25

Introducând numărul lui Fourier 2x

taFo

∆

∆= , rezultă :

ki

1ki

k1i

ki

k1i

1k1i

1ki

1k1i TT)TT2T(*Fo*)1()TT2T(*Fo* −=+−θ−++−θ +

−++−

+++ (3.20)

Există mai multe tipuri de scheme de diferenţe finite în funcţie de valoarea lui θ : 1) Schema explicită, pentru θ =0

ki

1ki

k1i

ki

k1i TTFoTFoT2FoT −=+− +

−+ , deci (3.21)

)TT(FoT)Fo21(T k1i

k1i

ki

1ki −++ ++−= (3.22)

În această schemă, temperatura într-un punct la un moment de timp k+∆t (Tk+1) se calculează în funcţie de temperatura la momentul de timp precedent (Tk). Se presupune că la momentul iniţial t=0 de la care se porneşte calculul, distribuţia de temperatură este dată. Astfel se obţine temperatura locală pentru diverse noduri (puncte) i=1,2,...n în ipoteza că la fiecare moment de timp t, distribuţia de temperatură în intervalul dintre două puncte vecine este lineară.

Convergenţa soluţiei este dată de alegerea corectă a lui ∆t şi ∆x, deci a numărului Fourier. Aceste două valori trebuiesc alese astfel încât 1-2Fo≥0 pentru ca metoda să fie convergentă, deci Fo≤1/2.

Pentru cazul particular în care Fo=1/2, rezultă:

2

TTT

k1i

k1i1k

i−++ +

= (3.23)

În acest caz, valoarea maximă admisibilă a perioadei de timp ∆t este dată de condiţia

21

x

taFo

2=

∆

∆= , deci

ax

21

t2

adm∆

=∆

2) Schema implicită, pentru θ =1

ki

1ki

1k1i

1ki

1k1i TT)TT2T(*Fo −=+− ++

−++

+ (3.24)

)TT(FoT)Fo21(T 1k1i

1k1i

1ki

ki

+−

++

+ +−+= sau (3.25)

Fo21

)TT(FoTT

1k1i

1k1i

ki1k

i +

++=

+−

+++ (3.26)

În această schemă, temperatura într-un punct la un moment de timp k+∆t (Tk+1) nu se mai poate calcula explicit în funcţie de temperatura la momentul de timp precedent (Tk).

Avantajul acestei scheme este că este mereu convergentă. Rezlovarea setului de ecuaţii pentru i=1,2,...n este mai complicat deoarece în fiecare ecuaţie

există trei temperaturi necunoscute: Tik+1, Ti+1

k+1, Ti-1k+1. Toate aceste n ecuaţii pot fi rezolvate

împreună, dar pentru un număr mare n, rezolvarea prin sisteme clasice este foarte dificilă şi necesită un volum mare de lucru. De aceea ecuaţia aferentă schemei implicite se poate rescrie în funcţie doar de aceste trei temperaturi necunoscute, restul coeficienţilor fiind notaţi pentru simplificare cu A, B, C şi respectiv D:

ki

1k1-i

1ki

1k1i TT*Fo-T)1Fo2(T*Fo- =++ ++++ , adică (3.27)

i1k

1-ii1k

ii1k

1ii DT*C-T*BT*A- =+ ++++ (3.28) Ţinând cont de dependinţa liniară a temperaturilor necunoscute:

i1+k

1+ii1+k

i F+TE=T (3.29)

1i1k

i1-i1k

1-i FTET −++ += (3.30)

unde E şi F sunt nişte coeficienţi.

26

Introducând temperaturile scrise astfel în ecuaţia aferentă schemei implicite, se poate exprima Ti

k+1 în funcţie de Ti+1k+1 şi de coeficienţii A, B, C, D, E, F:

1iii

1iii1k1i

1iii

i1ki ECB

F*CDT

ECBA

T−

−++

−

+−+

+−

= (3.31)

Cele două ecuaţii care definesc temperatura Tik+1 au formă asemănătoare, de unde se poate scrie prin

comparaţie:

1-iii

ii EC-B

AE = (3.32)

1-iii

1-iiii EC-B

F*CDF

+= (3.33)

Această metodă de rezolvare a ecuaţilor aferente schemei implicite constă în a calcula succesiv Ei şi Fi, de la i=1 până la i=n.

3) Schema Crank-Nicolson, pentru θ =1/2

)TT2T(*Fo*21

)TT2T(*Fo*21

TT k1i

ki

k1i

1k1i

1ki

1k1i

ki

1ki −+

+−

+++

+ +−++−+= (3.34)

Această schemă este tot implicită, însă are avantajul că nu mai prezintă condiţii de convergenţă.

III.1.2. Comentarii privind metoda de calcul analogic

Demonstraţia prezentată reconstituie în mod sintetic lucrările unor cercetători care au introdus în anii 1980 acest model pentru transferul de căldură conductiv. Se constată că de fapt, prin aplicarea metodei, se realizează discretizarea spaţială a ecuaţiei căldurii prin metoda diferenţelor finite. Aceasta se va integra în continuare numai în raport cu timpul şi astfel se obţine în final un model relativ simplu care constă într-un sistem de ecuaţii diferenţiale de ordinul I care, cu condiţii iniţiale cunoscute, se poate rezolva folosind solvere uşor de aplicat, bazate de exemplu pe metoda Runge-Kutta.

Includerea în studiul de faţă a acestei probleme este justificată de următoarele considrente: - metoda de calcul orară simplificată este inclusă în standardul EPBD şi a fost preluată în

metodologia română MC001 de calcul a eficienţei energetice a clădirilor; - demonstraţia urmăreşte credibilizarea acestei metode faţă de specialiştii români care

lucrează în domeniul transferului de căldură şi care s-au arătat reticenţi faţă de aplicarea acestui model;

- metoda analogică a stat la baza concepţiei programului CoDyBa realizat de un grup de cercetători de la INSA (Institut National des Sciences Appliquées) Lyon Franţa şi care va fi utilizat în continuare în teză.

III.2. Programul CoDyBa III.2.1. Descrierea generală a programului de simulare CoDyBa (Comportement Dynamique des Bâtiments – Comportamentul Dinamic al

Clădirilor) este un software de simulare dinamică a performanţelor termice şi energetice ale clădirilor. Programul permite să se estimeze necesarul de încălzire sau de răcire pentru a menţine o anumită temperatură setată, sau pentru a calcula temperatura interioară atunci când sistemul de încălzire sau de răcire este insuficientă. Acelaşi lucru se poate calcula şi pe parte de umiditate.

27

III.2.2. Aplicarea analogiei electrice pentru programul CoDyBa Schema analogică a programului CoDyBa, care include şi repartiţia fluxurilor pe diferite

noduri, este dată în figura de mai jos. Modulele componente ale acestei scheme sunt: • Pereţii exteriori, cu cele două noduri capacitive (nodul 3 la exterior şi nodul 4 la interior) • Placa pe sol, care are aceeaşi structură ca şi peretele exterior, cu două noduri capacitive

(nodul 5 la exterior şi nodul 6 la interior) • Ferestrele, care nu au noduri capacitive pentru că nu au inerţie termică (nodul 1 la exterior şi

nodul 2 la interior) • Ventilarea, care leagă nodul corespunzător aerului exterior cu cel al aerului interior • Pereţii interiori, care au un nod interior capacitiv (nodul 8) iar celălalt fiind nod de suprafaţă

(nodul 7) Căldura provenită de la sarcina internă sensibilă se transferă radiativ - pe lungime de undă scurtă (CICLO) sau lungime mare de undă (CIGLO)- şi convectiv (CICONV).

Fiecare nod este supus unor aporturi de căldură provenite ori de la soare ori de la sarcina internă, descompusă în cele trei părţi amintite mai sus. Φ1 – fluxul solar direct şi difuz absorbit de fereastră (W) Φ2 – fluxul solar direct şi difuz absorbit de peretele exterior (W) Φ3 – fluxul solar direct şi CICLO difuz absorbit de planşeu (W) Φ4 – fluxul solar direct şi difuz şi CICLO absorbit de peretele interior (W) Φ5 – fluxul solar şi CICLO absorbit de fereastră după reflexie (W) Φ6 – fluxul solar şi CICLO absorbit de peretele exterior după reflexie (W)

Sistemul de ecuaţii care rezultă din bilanţul termic în fiecare nod se bazează pe expresia ecuaţiei căldurii:

∑ ∆=−+−=

∂∂

++−− TU)TT(U)TT(UTT

C i1i1i,ii1ii,1ii

i (3.35)

Fig. 3.3. Schema analogica a programului CoDyBa

Nodul 1: 1egrv2v1vgrv TUTUT)UU(0 Φ++++−= (3.36)

28

Nodul 2: 110irv9icv2icvirvv1v TUTUT)UUU(TU0 Φ+++++−= (3.37)

Nodul 3: 21egm4m3megm3

em TeUTUT)UU(dt

dTC Φ++++−= (3.38)

Nodul 4: 610irm9icm4icmirmm3m4

im TUTUT)UUU(TUdT

dTC Φ+++++−= (3.39)

Nodul 5: egpb6pb5pbgpb5

epb TUTUT)UU(dt

dTC +++−= (3.40)

Nodul 6: 310rpb9cpb6rpbcpbpb5pb6

ipb TUTUT)UUU(TUdTdT

C Φ+++++−= (3.41)

Nodul 7: 410rpi9cpi8pi7picpirpi TUTUTUT)UUU(0 Φ++++++−= (3.42)

Nodul 8: 8pi7pi8

pi TUTUdt

dTC −−= (3.43)

Nodul 9: CICONVPTUT)UUUUU(

TUTUTUTUdTdT

C

era9cpicpbicmicvra

7cpi6cpb4icm2icv9

ai

+++++++

−+++= (3.44)

Nodul 10: CIGLOT)UUUU(TUTUTUTU0 10rpirpbirmirv7rpi6rpb4irm2irv ++++−+++= (3.45)

Rezolvarea acestui sistem de ecuaţii algebro-diferenţiale se face prin metoda diferenţelor

finite, utilitând o schemă implicită. În funcţie de modul de funcţionare, se pot scrie două sisteme diferite:

• puterea interioară disipată este cunoscută, necunoscuta fiind temperatura aerului interior. În acest caz sistemul este de forma [A]*{Ti

t+1}=[B] • temperatura aerului interior este cunoscută, necunoscuta fiind puterea interioară disipată. În

acest caz sistemul este de forma [A’]*{Tit+1}=[B’]

Rezolvarea acestor sisteme în CoDyBa se face prim metoda matricei inverse, astfel că temperatura Ti

t+1 se calculează ca un produs matricial: {Ti

t+1}=[A]-1 [B] şi {Ti

t+1}=[A’]-1 [B’] III.2.3. Introducerea datelor de intrare în program

CoDyBa are o interfaţă grafică uşor de folosit, cu o structiră tip arbore cu patru ramuri principale: biblioteca de materiale, fisierul meteo, clădirea şi tabele. Prin interfaţa grafică, utilizatorul construieşte un model de geometrie a clădirii, folosind elemente de bază (volume de aer, pereţi, ferestre). Apoi se adăugă sarcini interne şi sisteme HVAC în modelul de clădire creat şi se efectuează calcule termice.

III.3. Studii de caz

Ca şi în cazul calcului lunar, se detaliază doar primele două studii de caz, rezultatele finale fiind centralizate în subcapitolul de concluzii III.4.

III.3.1. Cazul 1 de referinţă - Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura interioară de calcul

Ipotezele de calul legat de clădire şi de programul de funcţionare rămân aceleaşi ca şi în cazul calcului lunar.

29

Transferul de căldură prin ventilaţie

Dacă debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura interioară de calcul, se consideră că debitul de ventilare este nul. Totuşi rămâne un debit de aer proaspăt de 0,1 h-1 schimburi pe oră, datorat infiltraţiilor.

Determinarea sezonului de răcire

Pentru a determina perioada de răcire, în simulare se lasă clădirea să evolueze liber, fără sistem de răcire şi se centralizează temperaturile interioare obţinute. Sezonul de răcire se consideră că începe atunci când trei zile consecutiv temperatura interioară depăşeşte 25 oC (adică temperatura interioară de calcul) cel puţin 3 ore/zi. Evoluţia temperaturii interioare în regim liber este reprezentată în acest caz în figura 3.4.

Rezultatele obţinute sunt importate într-un fişier Excel, cu ajutorul caruia se poate reprezenta grafic variaţia temperaturilor interioare comparativ cu temperatura interioară de calcul, care trebuie menţinută constant 25 oC. Sezonul de răcire se poate citi grafic pe abscisă, corespunzător curbei care depăşeşte dreapta de temperatură constantă de 25 oC.

Fig. 3.4. Variaţia temperaturii interioare pentru cazul 1

Perioada de răcire: 22 mai – 1 noiembrie – 164 zile, iar consumul de energie pentru răcire

este QR= 12567 kWh.

III.3.2. Cazul 2: Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura exterioară

În acest caz, singura componentă care se modifică faţă de cazul precerdent este necesarul de răcire pentru ventilare, restul datelor de intrare rămân aceleaşi.

Faptul că debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura exterioară este reprezentat în program prin punerea în funcţiune a ventilării. Debitul este exprimat în schimburi de aer pe oră.

Bppersv q*Aq*NV += (3.46)

Pentru 66 de persoane, Vv = 3351 m3/h. Raportat la volumul clădirii de 2230 mc, rezultă 1,5 schimburi de aer pe oră. Ventilarea funcţionează pe perioada de lucru al angajaţilor. În rest se consideră un debit de aer proaspăt de 0,1 h-1 schimburi pe oră, datorat infiltraţiilor.

Evoluţia temperaturii interioare în regim liber este reprezentată în acest caz în figura 3.5.

30

Fig. 3.5. Variaţia temperaturii interioare pentru cazul 2

Perioada de răcire: 22 mai – 31 octombrie – 163 zile, iar consumul de energie pentru răcire

este QR= 12644 kWh. III.4. Compararea rezultatelor cu cele obţinute prin calcul lunar

Cazul studiat

Date de intrare

Calcul lunar Calcul orar - Codyba

Perioada de racire

Nr. de zile

Necesarul de racire pentru cladire (kWh)

Perioada de racire

Nr. de zile

Necesarul de racire pentru cladire (kWh)

Cazul 1 de

referintă

θintr=θi 1 aprilie – 22 octombrie 205 23893 22 mai –

1 noiembrie 164 12567 Npers=66

Cazul 2 θintr=θe 15 iunie – 30 august 77 5038 22 mai –

31 octombrie 163 12644 Npers=66

Cazul 3a θintr=θi 7 martie – 15 noiembrie 254 39625 30 aprilie –

30 noiembrie 215 21778 Npers=135

Cazul 3b θintr=θi 7 aprilie – 22 octombrie 199 19458 28 mai –

26 octombrie 152 9019 Npers=45

Tabel 3.1.: Tabel centralizator cu diferitele cazuri studiate

Din punct de vedere al temperaturii de introducere, se constată că dacă temperatura de refulare este temperaura interioară de 25 °C tot timpul (cazul 1) duce la perioade de racire foarte mari (aproape tot anul) şi implicit la consumuri foarte mari de energie, mai ales în cazul metodei orare. Acest lucru se datorează faptului că în primul caz de referinţă pierderile de căldură prin ventilare sunt nule şi astfel aporturile interne de căldură sunt amplificate faţă de cazul al doilea. În cazul introducerii aerului cu temperatura interioară aporturile sunt mai mari decât pierderile de căldură, ceea ce conduce la un sezon de răcire mai mare.

Dacă temperatura de introducere este egală cu temperatura exterioară (cazul 2), se remarcă o scădere a sezonului de răcire şi implicit şi a consumului de energie pentru răcire, în cazul calcului lunar, faţă de cazul de referinţă în care temperatura de introducere este temperatura interioară de calcul de 25oC.

31

Perioada de răcire este considerabil mai mică în cazul metodei lunare, deoarece această metodă operează cu temperaturi medii exterioare lunare care sunt mai mici decât cele interioare. Prin urmare pe perioada verii este posibil să avem pierderile de căldură prin transfer, ceea ce nu corespunde cu realitatea.

Consumurile de energie obţinute prin metoda CoDyBa pentru cazul 2 sunt mai apropiate de realitate decât cele obţinute prin metoda lunară datorită faptului că programul ia în considerare răcirea debitului de aer proaspăt. Calculele realizate prin metoda lunară scapă din vedere consumurile sistemului de ventilare pentru răcirea debitului de aer proaspăt deoarece se consideră că acesta este introdus cu temperatura exterioară mai mică decât temperatura interioară de calcul tot timpul, ceea ce nu corespunde cu realitatea.

Din punct de vedere al variaţiei numărului de ocupanţi, aporturile interne şi debitele de aer de ventilare ţin cont de variaţia gradului de ocupare, deci necesarul de răcire variază direct proporţional cu acest număr în ambele metode.

Capitolul 4: CALCULUL CONSUMULUI DE ENERGIE PENTRU CLIMATIZAREA CLĂDIRILOR PRIN METODE DINAMICE AVANSATE IV.1. Programul Trnsys

IV.1.1. Descrierea generală a programului de simulare

Trnsys (TRaNsient System Simulation - Program de Simulare a Sistemelor Tranzitorii) este un program de simulare dezvoltat de Universitatea Wisconsin – Madison, cu varianta comercială disponibilă din 1975. Pachetul cuprinde o interfaţă grafică (Trnsys Simulation Studio), cu ajutorul căreia se creează simularea, o interfaţă pentru clădiri simple sau compuse din mai multe zone (TRNBuild/ Type 56), sistemul de simulare (TRNDLL.dll), executabilul (TRNEXE.exe) şi un program pentru editarea manuală a datelor de intrare şi realizarea de aplicaţii personalizate (TRNEdit).

Trnsys abordează modular problema simulării, lucru care îl face un program flexibil în modelarea unei varietăţi de sisteme energetice cu diferite grade de complexitate. Subrutinele Trnsys

Fiecare componentă (Type) are asociat un număr de indentificare propriu ce corespunde subrutinei Fortran utilizată pentru componenta respectivă. Când utilizăm acelaşi type, de mai multe ori în cadrul unei aplicaţii, fiecărei componente i se atribuie un număr de ordine pentru a putea stabili cu uşurinţă succesiunea operaţiilor.

Componentele cu un impact major asupra sistemului sunt Type 56- clădirea multizonă şi Type 109-TMY2 care conţine datele meteo.

Având în vedere complexitatea unei clădiri multizone, parametrii type-ului 56, nu sunt definiţi direct în fişierul de intrare Trnsys. În schimb sunt atribuite două fişiere ce conţin informaţiile necesare pentru descrierea construcţiei (*. bld) şi funcţia de transfer ASHRAE pentru pereţi (*.trn).

TRNBuild este un program utilizat pentru a introduce date de intrare pentru clădirile multizone. Acesta permite specificiarea detaliată a elementelor de anvelopă ale cladirii, şi tot ceea ce este necesar pentru a simula comportamentul termic al clădirii, cum ar fi proprietătile optice ale ferestrei, programul de funcţionare al echipamentelor, tipul de ventilare etc.

Scopul editării separate a compomentei Type56 este de a defini în detaliu caracteristicile şi comportamentul termic al fiecărei zone din care este alcătuit acest tip.

TRNBuild creaza fişiere cu extensia (*.bui) ce includ toate informatiile necesare simulării clădirii.

Type 109-TMY2 are scopul principal de a citi date meteorologice, la intervale de timp regulate dintr-un fişier de date, convertindu-le într-un sistem unităţi dorite, generând valori ale

32

radiaţiei solare directe si difuze pentru un număr arbitrar de suprafeţe cu orientare şi înclinare arbitrară.

Typical Meteorological Year (TMY) a fost realizat pentru a funiza date climatice orare sub forma de fisiere usor de gestionat. Este precursorul lui TMY2.

IV.1.2. Avantajele programului

Performanţa unei componente din sistem depinde în mod normal de caracteristicile fixate ale parametrilor, performanţele (output) altor componente şi a funcţiilor dependente de timp.

Pentru a putea rula programul, componentele trebuie conectate între ele, realizânduse astfel un flux informaţional al diagramei. Acesta este o reprezentare schematică a transferului de informaţie ce se realizează între componente sistemului. Fiecare informaţie ce este primită sau transmisă de o componentă este reprezentată grafic printr-o săgeată (de la output-ul componentei anterioare la inputul componentei următoare).

Informaţia transmisă este reprezentată de Output şi poate fi transmisă utilizatorului prin intermediul unei componente finale (Printer, Online Plotter) sub formă de diagramă, tabel.

Avantajele acestui program sunt: - structura modulară a simulării care reduce cu mult complexitatea sistemului simulat deoarece

o problemă foarte mare poate fi redusă la o serie de probleme mai mici - interconectarea componentelor sistemului în aproape orice formă - rezolvarea diferitelor ecuaţii - facilitarea transmiterii de informaţii de la o componentă la alta

Din aceste cauze problema simularii sistemului se reduce la indentificarea tuturor componentelor şi descrierea matematică a acestora.

IV.2. Studii de caz

Ca şi în cazul calcului lunar, se detaliază doar primele două studii de caz, rezultatele finale fiind centralizate în subcapitolul de concluzii IV.3.

IV.2.1. Cazul 1 de referinţă - Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura interioară de calcul

Faptul că debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura interioară de calcul, reprezintă introducerea unei ventilări mecanice în programul de simulare, cu o temperatură de refulare constantă de 25 oC, egală cu cea a temperaturii interioare. Debitul de ventilare este introdus în schimburi pe oră. Ventilarea este pornită doar pe perioada de lucru a angajaţilor.

Debit de aer proaspăt datorat infiltraţiilor este considerat de 0,1 h-1 schimburi pe oră, la fel ca şi în cazul folosirii programului CoDyBa.

Interfaţa grafică reprezentată în Trnsys Simulation Studio pentru cazul 1 este:

Fig. 4.1. Interfaţa grafică afişată de Trnsys

33

Determinarea sezonului de răcire După rularea aplicaţiei, programul permite atât afişarea grafică a parametrilor doriţi cât şi

editarea valorilor acestor parametrii sub forma unor fişiere text prin intermediul subrutinei Type 65b (Online Plotter with File).

Evoluţia temperaturii interioare în regim liber este reprezentată în acest caz în figura 4.2.

Fig. 4.2. Variaţia temperaturilor interioară şi exterioară, când clădirea evoluează liber

Pentru a determina perioada de răcire, se cladirea a fost lasata sa evolueze liber, fără sistem

de răcire. Sezonul de răcire este determinat prin prelucrarea valorilor orare ale temperaturii interioare conşinute de fişiereul text generat de Type 65b. Acesta începe atunci când trei zile consecutiv temperatura interioară depăşeşte 25 oC (adică temperatura interioară de calcul) cel puţin 3 ore/zi. Perioada de răcire determinată este 12 aprilie – 30 octombrie. – 202 zile.

Determinarea consumului de energie pentru răcirea clădirii s-a făcut prin însumarea consumurilor orare rezultate pentru menţinerea temperaturii interioare de 25 °C în perioada de ocupare a clădirii.

În această situaţie sistemul de climatizare este pornit pe perioada de ocupare a clădirii. Simulare s-a realizat cu pasul de timp de o oră. Valoarea totală a necesarului de energie pentru răcirea clădirii pe perioada sezonului de răcire determinat anterior este Qr=12536 kWh.

Variaţia consumurilor de energie orare pentru menţinerea temperaturii interioare de 25 °C în perioada de ocupare fiind următoarea:

Fig. 4.3 Variaţia temperaturilor interioară şi exterioară şi a consumului de energie pentru răcirea

clădirii

25 0C

34

IV.2.2. Cazul 2: Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura exterioară

Datele de intrare rămân la fel ca şi în cazul precedent. Singura componentă care se schimbă este că temperatura de introducere a aerului proaspăt necesat ventilării nu mai este constantă, ci este temperatura exterioară.

Variaţia temperaturilor interioare şi exterioare orare în această situaţie fiind următoarea:

Fig. 4.4 Variaţia temperaturilor interioară şi exterioară, când clădirea evoluează liber

Perioada de răcire este 24 mai – 15 octombrie -145 zile.

Pentru a determina consumul de energie, se porneşte sistemul de climatizare pe perioada de ocupare a clădirii. Simulare s-a realizat cu pasul de timp de o oră.

Variaţia consumurilor de energie orare pentru menţinerea temperaturii interioare de 25 °C în perioada de ocupare fiind următoarea:

Fig. 4.5 Variaţia temperaturilor interioară şi exterioară şi a consumului de energie pentru răcirea

clădirii Valoarea totală a necesarului de energie pentru răcirea clădirii pe perioada sezonului de răcire determinat anterior este QR=10051 kWh.

25 0C

35

IV.3. Compararea rezultatelor cu cele obţinute prin calcul lunar

Cazul studiat

Date de intrare

Calcul lunar Calcul orar - Trnsys

Perioada de racire

Nr. de zile

Necesarul de racire pentru cladire (kWh)

Perioada de racire

Nr. de zile

Necesarul de racire pentru cladire (kWh)

Cazul 1 de

referintă

θintr=θi 1 aprilie – 22 octombrie 205 23893 12 aprilie –

30 octombrie 202 12536 Npers=66

Cazul 2 θintr=θe 15 iunie – 30 august 77 5038 24 mai –

15 octombrie 145 10051 Npers=66

Cazul 3a θintr=θi 7 martie – 15 noiembrie 254 39625 24 februarie–

4 decembrie 284 29225 Npers=135

Cazul 3b θintr=θi 7 aprilie – 22 octombrie 199 19458 10 mai –

23 octombrie 167 8466 Npers=45

Cazul 4 θintr=var. 1 iunie – 28septembrie 120 12044 24 mai – 18

septembrie 118 6119 Npers=66

Tabel 4.1.: Tabel centralizator cu diferitele cazuri studiate Din punct de vedere al temperaturii de introducere, se constată că adoptarea unei

temperaturi de refulare de 25 °C tot timpul (cazul 1) duce la perioade de racire foarte mari (aproape tot anul) şi implicit la consumuri foarte mari de energie.

Aceasta soluţie în care debitul de aer proaspat să fie introdus cu o temperatură constantă de 25 °C ar fi complet neeconomică din punct de vedere al consumului de energie deoarece clădirea ar avea nevoie de răcire şi în lunile de tranziţie în care degăjarile interioare ar putea fi acoperite prin introducerea debitului de aer proaspăt cu temperatura exterioară, realizându-se astfel o răcire pasivă.

Dacă temperaturii de introducere este egală cu temperatura exterioară (cazul 2), se remarcă o scădere a sezonului de răcire şi implicit şi a consumului de energie pentru răcire, mai ales în cazul calcului lunar, faţă de cazul de referinţă în care temperatura de introducere este temperatura interioară de calcul de 25oC.

În cazul metodei lunare, acest lucru se datorează faptului că în primul caz de referinţă pierderile de căldură prin ventilare sunt nule şi astfel aporturile interne de căldură sunt amplificate faţă de cazul al doilea. În cazul introducerii aerului cu temperatura interioară aporturile sunt mai mari decât pierderile de căldură, ceea ce conduce la un sezon de răcire mai mare.

În cazul utilizării programului Trnsys, necesarul mai mic de răcire în cazul introducerii aerului proaspăt cu temperatura exterioară a rezultat din efectul de răcire al aerului proaspăt de ventilare pus în evidenţă în special la debite mari de ventilare şi în perioadele de tranziţie.

Calculele realizate prin metoda lunară scapă din vedere consumurile sistemului de ventilare pentru răcirea debitului de aer proaspăt deoarece se consideră că acesta este introdus cu temperatura exterioară mai mică decât temperatura interioară de calcul tot timpul, ceea ce nu corespunde cu realitatea.

Cazul 4 în care temperatura de introducere este variabilă în funcţie de valoarea temperaturii exterioare este cel mai economic. Se remarcă o scădere aproape la jumătate a perioadei de răcire şi a consumului de energie faţă de primul caz. Rezultatele obtinute in acest studiu de caz se apropie mult mai mult de realitate decât cele din studiul de caz 2 deoarece nu mai sunt introduse pierderi de caldura prin transfer in lunile de vârf si datorită faptului că se ia în considerare răcirea debitului de aer proaspăt în anumite perioade.

36

Pentru a înlătura efectul importanţei perioadele de tranziţie, s-au efectuat simulările aferente primelor două cazuri doar pentru luna iulie, lună în care se ştie că trebuie pus în funcţiune sistemul de răcire:

a. Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura interioară de calcul – luna iulie

Fig. 4.6. Variaţia temperaturilor interioară şi exterioară şi a consumului de energie pentru răcirea

clădirii Valoarea totală a necesarului de energie pentru răcirea clădirii este QR=1557 kWh. b. Debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura exterioară – luna iulie

Fig. 4.9 Variaţia temperaturilor interioară şi exterioară şi a consumului de energie pentru răcirea

clădirii Valoarea totală a necesarului de energie pentru răcirea clădirii este QR=2163 kWh.

Interpretarea rezultatele a pus în evidenţă un necesar mai mare pentru cazul al doilea, deoarece în acest caz aerul proaspăt trebuie tratat înainte de a fi introdus. De aici se remarcă influenţa perioadei de tranziţie, care pentru tot sezonul de răcire duce la scăderea necesarului pentru cazul al doilea, când de fapt această valoare ar trebui să fie mai mare faţă de primul caz.

37

Capitolul 5: CONCLUZII, CONTRIBUŢII PERSONALE, DIRECŢII DE CERCETARE În cadrul tezei s-a realizat o analiză a fundamentelor teoretice ale metodelor de calcul posibil

de utilizat pentru evaluarea consumului de energie în clădiri. Astfel, s-a analizat modul de realizare a bazei de date climatice, punându-se în evidenţă caracterul statistic al acestora şi necesitatea ca datele utilizate să fie preluate din acelaşi calup de date, ceea ce corespunde unei simultaneităti a parametrilor meteorologici utilizaţi în anul climatic tip.

De asemenea a fost analizată metoda analogiei termo-electrice frecvent utilizată în state din Europa şi indicată ca metodă de calcul orară simplificată. S-a demonstrat că această metodă reprezintă discretizarea spaţială a ecuaţiei căldurii, care trebuie să fie integrată ulterior în calculele dinamice numai în raport cu timpul. Aceasta dovedeşte că este o metodă fiabilă şi de interes.

În cadrul tezei s-a realizat un studiul care a urmărit influenţa asupra consumului de energie şi implicit a necesarului de energie a unor factori mai puţini analizaţi, dar cu efect important asupra sarcinii termice de climatizare, densitate de ocupare şi strategia de ventilare. Astfel, s-au făcut studii comparative între trei metode de evaluare a consumurilor de energie în clădirile climatizate pentru diferite situatii, variindu-se pe rând anumiţi parametrii reprezentativi, şi anume temperatura de introducere a aerului proaspăt de ventilare şi gradul de ocupanţi ai clădirii.

În ceea ce priveşte densitatea de ocupare, în cazul clădirilor de birouri, aceasta înseamnă nu numai numărul de persoane ci şi echipamentele electronice. În acelaşi timp, în funcţie de numărul de persoane se modifică şi necesarul de energie pentru tratarea aerului de ventilare, deoarece debitul de aer proaspăt este dependent de acest număr.

Compararea studiilor de caz cu cele trei metode folosite se regăseşte în tabelul 5.1:

Cazul studiat

Date de intrare

Calcul lunar Calcul orar - Codyba Calcul orar - Trnsys

Perioada de racire

(zile)

Necesarul de racire pentru cladire (kWh)

Perioada de racire

(zile)

Necesarul de racire pentru cladire (kWh)

Perioada de racire

(zile)

Necesarul de racire pentru cladire (kWh)

Cazul 1 de

referintă

θintr=θi 205 23893 164 12567 202 12536 Npers=66

Cazul 2 θintr=θe 77 5038 163 12644 145 10051 Npers=66

Cazul 3a θintr=θi 254 39625 215 21778 284 29225 Npers=135

Cazul 3b θintr=θi 199 19458 152 9019 167 8466 Npers=45

Cazul 4 θintr=var. 120 12044 - - 118 6119 Npers=66

Tabel 5.1.: Tabel centralizator cu diferitele cazuri studiate Pe baza acestor studii se pot desprinde mai multe concluzii. Aşa cum este cunoscut, o mărire a aporturilor de la sursele interioare înseamnă o mărire a

sarcinii termice şi deci a consumului de energie pentru răcire. În acelaşi timp mărirea debitului de aer de ventilare, care rezultă din creşterea numărului de persoane, are efect diferit în funcţie de strategia de ventilare (cu aer proaspăt sau cu aer tratat).

Se observă că folosirea aerului proaspăt direct din exterior modifică substanţial necesarul de energie pentru răcire, în special în capetele de sezon (perioada de tranziţie). În această situaţie ventilarea cu aer exterior are un efect de micşorare a consumului de energie datorită faptului că

38

temperatura este mai mică decât cea a aerului exterior. Acest efect se va resimţi diferit în clădiri cu inerţie termică mică sau mare.

Se remarcă necesitatea schimbării strategiei de ventilare (prin automatizare) în perioada de tranziţie, care trebuie să se definească pe baza unei analize punctuale în funcţie de datele climatice, de inerţia clădirii, de durata perioadei de răcire.

Influenţa scenariilor de ventilare se reflectă atât direct asupra necesarului de frig cât şi indirect prin modificarea perioadei de răcire

Studiile făcute pun în evidenţă efectul benefic al ventilarării nocturne pentru răcirea pasivă, efect pus în evidenţă în perioada de tranziţie, prin scăderea necesarului de răcire în această situaţie.

Analizarea fiecărui caz în parte, atrage după sine concluzii care au fost evidenţiate pe

parcursul fiecărui capitol. Dacă temperaturii de refulare a debitului de aer proaspăt este fixată la o valoare constantă,

cea a temperaturii interioare, pierderile de căldură sunt nule iar degajările de căldură interioare sunt amplificate, rezultând astfel o perioadă de răcire foarte mare (aproape tot anul) ceea ce atrage dupa sine un consum foarte mare de energie. Acest lucru este evidenţiat prin toate metodele folosite în prezenta lucrare, însă diferenţa majoră apare la calculul lunar.

De aceea aceasta soluţie în care debitul de aer proaspăt este introdus cu o temperatură interioară constantă nu este rentabilă din punct de vedere al consumului de energie, deoarece clădirea ar avea nevoie de răcire şi în lunile de tranzitie în care degajarile interioare ar putea fi acoperite prin introducerea debitului de aer proaspăt cu temperatură exterioară, realizându-se astfel o răcire pasivă.

Dacă debitului de aer proaspăt este introdus cu temperatura exterioară, în cazul metodei lunare, faptul că temperatura exterioară medie lunară este mai mică decât cea interioară, duce la introducerea unor pierderi de căldură prin transfer importante şi vara, ceea ce nu corespunde cu realitatea. Aceste pierderi sunt introduse prin energia disipată prin ventilare. Ponderea cu care acest termen influentează rezultatul este direct proportională cu cantitatea debitului de aer proaspăt introdus.

Calculele realizate prin metoda lunară scapă din vedere consumurile sistemului de ventilare pentru răcirea debitului de aer proaspăt deoarece se consideră că acesta este introdus cu temperatura exterioară, mai mică decât temperatura interioară de calcul tot timpul, ceea nu corespunde cu realitatea.

În momentul de faţă, metoda lunară nu permite evaluarea corectă a eficientei introducerii unor măsuri inteligente de economisire a energiei.

Pentru a elimina aceste inconveniente ale metodei lunare şi pentru a putea face o evaluare mai corectă a necesarului de energie, temperatura de introducere a aerului proaspăt ar trebui să fie variabilă, în funcţie de temperatura exterioară. Astfel, în metoda lunară calculul pentru lunile de capăt nu s-ar face pe intreaga lună ci prin impărtirea perioadei de timp în două intervale, şi anume:

- perioada de timp în care debitul de aer proaspăt este introdus cu temperatura exterioră (netratat), când aceasta este mai mică decât temperatura interioară de calcul;

- perioada de timp în care debitul de aer proaspăt este răcit şi introdus cu temperatura interioară de calcul, când temperatura exterioară este mai mare decât temperatura interioară

Aceste intervale de timp s-ar putea determina prin încercări repetate dar în acest caz metoda lunară ar deveni mai complicată şi mai greu de utilizat.

De aceea programele de simulare de tipul Trnsys se dovedesc a fi mult mai eficiente datorită

complexităţii lor prin faptului că permite introducerea diferitelor scenarii de calcul şi folosirea mai multor subrutine (type-uri) pentru un calcul mult mai detaliat. Aceasta conduce la obţinerea unor rezultate mai apropiate de realitate în comparaţie cu cele obtinute prin metoda lunară.

Totuşi şi acest program are inconvenientul că utilizatorul trebuie să deţină informaţii detaliate despre clădire şi sistem şi să introducă aceste informaţii în interfaţa Trnsys, care poate fi greu de utilizat datorită numărului mare de componente ce trebuiesc definite şi a legăturilor care trebuiesc făcute între componente.

39

Complexitatea problemei şi influenţa unor parametrii atât de diverşi conduce la ideea că cea mai bună soluţie pentru obţinerea unor rezultate corecte ar fi folosirea unui program de calcul detaliat, care să ruleze în regim dinamic, dar care să aibă o interfaţă foarte simplă. Astfel, utilizatorul ar putea să introducă doar datele referitoare la clădire, regimul de ocupare şi sistemul de încălzire sau răcire folosit, iar programul de simulare ar calcula direct consumul de energie, fără ca utilizatorul să fie nevoit să mai definească legăturile între module (type-uri) aşa cum este în Trnsys.

Studiul de faţă s-a axat pe partea de necesar de energie, pentru care se poate folosi şi un program de simulare mai simplificat, cum este CoDyBa. Deşi acesta din urmă este un program cu o interfaţă mai uşor de folosit, el are anumite limite de utilizare, şi anume nu poate calcula consumul pentru diferite tipuri de instalaţii, mai ales în cazul utilizării unor surse regenerabile, cum ar fi pompele de căldură. Deci nici acest program nu corespunde dorinţelor utilizatorilor de a găsi un program cu o interfaţă simplificată, dar totodată de a putea face calcule complexe.

Concluziile obţinute în urma analizelor de necesar de energie se consideră că sunt posibil de extrapolat asupra consumului de energie, prin introducerea unui coeficient de performanţă global al instalaţiilor frigorifice clasice care nu includ şi surse de energie regenerabile.

Contribuţii personale

- a fost analizat modul de construcţie al anului climatic mediu; s-a pus în evidenţă necesitatea construirii unei baze de date climatice coerente şi complete, fără de care nici o evaluare energetică nu este viabilă;

- pornind de la studiile de caz efectuate, s-au evidenţiat limitele metodei de calcul lunar pentru evaluarea consumului de energie în clădiri, în raport cu metoda orară de calcul; s-a demonstrat importanţa utilizării metodei orare în vederea calcului necesarului de energie pentru răcirea clădirilor;

- s-au pus în evidenţă factorii de influenţă cei mai importanţi din punct de vedere al calcului necesarului de energie; aceşti factori au fost special aleşi în urma unei analize aprofundate, astfel încât să se reflecte probleme mai puţin cunoscute şi studiate care influenţează consumul de energie, cum ar fi densitatea de ocupare a spaţiilor, debitele de aer proaspăt şi stragia de ventilare;

- s-a construit o bază de date climatice, pe baza datelor meteo furnizate de programul Trnsys, care a fost utilizată în toate metodele analizate, pentru a reduce la minim influenţa unor factori exteriori care ar putea perturba rezultatele. Direcţii de cercetare

- este absolut necesar construirea unei baze de date climatice pe baza metodei anului tipic meteorologic, care să fie cât mai apropiat de media climatică a anilor meteorologici şi să fie obţinut din date simultane pe un anumit interval de timp (recomandat o lună), bază de date completă

- realizarea unei interfeţe prietenoase şi uşor de folosit care să utilizeze un program de calcul dinamic complet şi complex pentru calculul consumului de energie, care să includă sistemul de încălzire/ răcire, prin intermediul căruia utilizatorul să poată obţine rezultate fiabile;

- analiza unor strategii de utilizare a sistemului, ca de exemplu: corelarea programului de răcire în raport cu orarul de funcţionare al clădirii, ventilarea nocturnă, automatizare variabilă pentru introducerea debitului de aer proaspăt în funcţie de temperatura exterioară; această analiză trebuie făcută în corelare cu sarcina nominală a sistemului de răcire;

- studierea în continuare a unei posibile influenţe a programului de utilizare al clădirii asupra sarcinii termice, deci şi asupra consumului de energie; acest fapt ar putea conduce la recomandări referitoare la perioada cea mai favorabilă de utiluzare a clădirii pentru minimizarea consumului de energie; această idee poate să meargă până la schimbarea orelor legale în raport cu orele solare (ora de vară/iarnă) ştiut fiind că această schcimbare s-a făcut în urmă cu mulţi ani, având justificări energetice de reducere a consumului de energie

40

BIBLIOGRAFIE (selecţie) [1] Brau, J., Krauss, G., Roux, J.,J.– CoDyBa, Cahier des algorithmes, Centre de Thermique de l’INSA de Lyon (CETHIL), 1992 [2] C 107/3 : 2005– Normativ privind calculul performanţelor termoenergetice ale elementelor de construcţie ale clădirilor [3] Catalina, T., Virgone, J., Roux, J.J., Blanco, E. - Effet de l’inertie thermique, de la surface vitrée et du coefficient de forme sur les besoins en chauffage d’une habitation, Congrès IBPSA, Lyon France, 2008 [4] Colda, I., Ardelean, F., Meteorologie şi climatologie, Ed. Conspress, Bucureşti, 2004 [5] Colda, I., Ardelean, F., Petrehuş, V., Niculiţă, L. - Annual energetic behavior of buildings and the typical meteorological year, Malta Conference [6] Colda, I., Vartires A., Mares, O. - O analiză a modului de aplicare a Metodologiei Mc001 la clădirile ventilate şi climatizate, Conferinţa Performanţa Energetică, 2011 [7] Directiva 2010/31/UE a Parlamentului European şi a Consiliului privind performanţa energetică a clădirilor [8] Dragotă, I., Petrehuş, V. - Metode numerice pentru ecuaţii diferenţiale, Editura Orizonturi Universale, Timişoara, 2002 [9] Eicker, U., Huber, M., Seeberger, P., Vorschulze, C. - Limits and potentials of office building climatisation with ambient air, Science Direct, Energy and Buildings 38, 2006 [10] EN ISO 13790:2007 - Energy performance of buildings — Calculation of energy use for space heating and cooling [11] Euvrard, D. - Résolution numérique des équations aux dérivées partielles de la physique, de la mécanique et des sciences de l’ingénieur. Différences finies, éléments finis, problèmes en domaine non borné, Masson, Paris, 1994 [12] Fumo, N., Mago, P., Luck, R. - Methodology to estimate building energy consumption using EnergyPlus Benchmark Models, Science Direct, Energy and Buildings 42, 2010 [13] Gery, M.- Équipement technique du bâtiment, Transferts de chaleur, INSA de Lyon, Département Génie Civil et Urbanisme [14] International Energy Agency – World Energy Outlook 2010 [15] Ionescu, A.M. - Metode de calcul referitoare la schimburi de căldură între clădiri şi mediul înconjurator, raport 1 de cercetare, 2010 [16] ISO 15927:2005 - Perfomanţele higrotermice ale clădirilor – Calculul şi prezentarea datelor climatice [17] Lungu, C.I. - Optimizarea energo-economică a unui sistem de condiţionare a aerului utilizând o maşină frigorifică cu absorbţie utilizând gaze naturale, Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti, Facultatea de Instalaţii, Bucureşti, 2004 [18] Marion, W., Urban, K., User’s Manual for TMY2s Typical Meteorological Years, National Renewable Energy Laboratory, Golden, Colorado, 1995 [19] MC 001/2:2006 - Metodologia de calcul al performanţei energetice a clădirilor, Partea II "Performanţa energetică a instalaţiilor din clădiri" [20] Panayiotou, G., P., Kalogirou, S., A., Florides, G., A., Maxoulis, C., N., Papadopoulos, A.,M., Neophytou, M., Fokaides, P., Georgiou, G., Symeou, A., Georgakis, G. - The characteristics and the energy behaviour of the residential building stock of Cyprus in view of Directive 2002/91/EC, Science Direct, Energy and Buildings 42, 2010 [21] Standard I5:2010 – Normativ pentru proiectarea, executarea şi exploatarea instalaţiilor de ventilare şi climatizare [22] Yua, Z., Haghighata, F., Fungb, B., C., M., Yoshino, H. - A decision tree method for building energy demand modeling, Science Direct, Energy and Buildings 42, 2010