SISTEME SOLARE TERMICE pentru încălzire şi preparare apă

SISTEME SOLARE TERMICE

pentru încălzire şi preparare apă caldă menajeră

Material realizat în colaborare cu ing. Daniel Hiriş

Silkeborg (Danemarca) – Cel mai mare sistem solar termic pentru încălzire centralizată

(≈157000 m2; fracţie solară 20 %; fără stocare sezonieră; 40000 locuitori)

-20

-10

0

10

20

30

40

50

0

200

400

600

800

1000

1200

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Tem

per

atu

ra [

�C]

Rad

iati

a s

ola

ra [

W/m

2]

Timp [ore] (un an)

Radiatie solara Temperatura

0

200

400

600

800

1000

1200

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640Rad

iati

e s

ola

ra -

pl.

incl

inat

[W

/m2 ]

Timp [ore]

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Pu

tre

term

ica

[K

W]

Timp [ore] (un an)

a

b

c

g

e

4

2

1

3 d

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Pu

tre

term

ica [

KW

]

Timp [ore] (un an)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Ene

rgie

te

rmic

a (l

un

ara)

[M

Wh

]

Solar incalzire Solar in stocare Solar exces

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec

Ene

rgie

te

rmic

a (l

un

ara)

[M

Wh

]

Necesar incalzire Necesar acm

0

20

40

60

80

100

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Tem

pe

ratu

ra d

in r

eze

rvo

r [�

C]

Timp [ore] (un an)

Ref S- V+

Cluj-Napoca

2020

2

Acest material poate reprezenta un model pentru proiecte de semestru, de diplomă sau de disertaţie,

dar şi un exemplu de abordare a studiilor tehnice de specialitate

Cuprins

Variante constructive de sisteme solare termice .................................................................... 3

Locaţie şi condiţii climatice ................................................................................................... 5 Caracteristici tehnice şi constructive ..................................................................................... 7

Încălzire.............................................................................................................................. 7 Preparare a.c.m................................................................................................................... 8

Încălzire şi preparare a.c.m. ............................................................................................. 10 Regimul termic al sistemul de încălzire centralizată (termoficare) ................................. 10 Colectorii solari termici ................................................................................................... 11

Rezervorul de stocare termică sezonieră .......................................................................... 13

Regimuri de funcţionare şi componente energetice ............................................................. 14 Fracţia solară ........................................................................................................................ 15 Comportarea dinamică a sistemului solar de încălzire centralizată (termoficare) ............... 16

Bilanţuri energetice lunare ................................................................................................... 18 Optimizare constructivă ....................................................................................................... 19

Dimensionarea tronsoanelor reţelei termice ........................................................................ 22 Energia consumată pentru pompare ..................................................................................... 23 Pierderile de căldură prin conducte...................................................................................... 24

Concluzii .............................................................................................................................. 26 Referinţe bibliografice ......................................................................................................... 27

3

Variante constructive de sisteme solare termice

Sistemele solare termice pot să prezinte variaţii foarte mari în ceea ce priveşte numărul şi

suprafaţa colectorilor, respectiv puterea termică şi destinaţia.

În figura alăturată este prezentată schema de principiu a unui sistem solar termic de

dimensiuni reduse destinat preparării de apă caldă menajeră, într-o locuinţă unifamilială.

Schema de principiu a unui sistem solar termic pentru preparare apă caldă menajeră

(destinat preparării de apă caldă menajeră pentru o locuinţă familială) 1 – Locuinţă; 2 – Colector solar termic; 3 – Rezervor apă caldă menajeră; 4 – Cazan mural

a – Radiaţie solară; b – Căldură solară pentru preparare a.c.m.; c – Energie termică solară în exces;

d – Căldură din combustibil convenţional pentru încălzire şi preparare a.c.m.

În continuare nu este abordată problema sistemelor solare termice mici, pentru preparare apă

caldă menajeră (a.c.m.), dar metodele de investigare prezentate pentru sistemele solare de

termoficare, pot fi aplicate şi la sisteme de dimensiuni reduse.

a b

c

d

4

2

1 3

4

Un exemplu tipic de sistem solar termic de dimensiuni şi puteri termice foarte mari, este

reprezentat de sistemele solare de încălzire centralizată (termoficare).

În figura alăturată este prezentată schema de principiu a unui sistem solar termic de

dimensiuni foarte mari, care este integrat într-un sistem de încălzire centralizată.

Schema de principiu a unui sistem solar termic de încălzire centralizată (termoficare)

(care deserveşte un sistem de încălzire centralizată / termoficare al unei comunităţi) 1 – Zonă rezidenţială; 2 – Câmp de colectori solar termici; 3 – Tanc de stocare sezonieră; 4 – Cazan; 5 - Răcitor

a – Radiaţie solară; b – Căldură solară pentru termoficare; c – Căldură solară pentru stocare sezonieră;

d – Căldură solară în exces; e – Căldură pentru termoficare din stocarea sezonieră;

f – Căldură din combustibili convenţionali

În cadrul studiului, pentru simplificare, rezervorul de stocare sezonieră a căldurii, este

considerat izolat adiabatic, sau altfel spus, au fost neglijate pierderile de căldură aferente.

a

b

c

f

e

4

2

1

3 d 5

5

Locaţie şi condiţii climatice

Studiul este realizat pentru condiţiile climatice aferente localităţii Zaragoza, din Spania, dar

investigaţii asemănătoare pot fi realizate pentru orice altă locaţie. Motivul pentru care a fost

aleasă locaţia, este reprezentat de faptul că au fost identificate în literatura de specialitate,

câteva studii care prezintă rezultate ale unor analize numerice referitoare la un sistem solar de

încălzire centralizată, amplasat în Zaragoza (Guadalfajara et al., 2014a; Guadalfajara et al.,

2014b; Guadalfajara et al., 2015), ceea ce a permis validarea modelului numeric dezvoltat la

Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca şi utilizat în acest studiu. Procedura de validare nu

este prezentată în acest document.

În figura alăturată, este prezentat amplasamentul localităţii Zaragoza pe harta Europei.

Amplasamentul localităţii Zaragoza pe harta Europei

Parametrii climatici care influenţează comportarea sistemelor solare termice, sunt intensitatea

radiaţiei solare şi temperatura ambiantă. Valorile parametrilor climatici, pentru localitatea

Zaragoza, au fost preluate din anul climatic standard (Typical Meteorological Year - TMY),

determinat pe baza măsurătorilor meteorologice realizate în perioada 2007-2016.

În figura alăturată, este prezentată interfaţa pentru preluarea datelor climatice conform TMY,

disponibilă pe site-ul Uniunii Europene, la adresa: https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/tools.html

Interfaţa pentru preluarea datelor climatice conform TMY

https://re.jrc.ec.europa.eu/pvg_tools/en/tools.html



6

În figura alăturată sunt prezentate curbele de variaţie ale intensităţii radiaţiei solare în plan

orizontal şi ale temperaturii ambiante, pentru Zaragoza.

-20

-10

0

10

20

30

40

50

0

200

400

600

800

1000

1200

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Tem

per

atu

ra [

�C]

Ra

dia

tia

so

lara

[W

/m2]

Timp [ore] (un an)

Radiatie solara Temperatura

Curbele de variaţie ale intensităţii radiaţiei solare în plan orizontal şi ale

temperaturii ambiante, pentru Zaragoza

Aceşti parametrii reprezintă date de intrare ale algoritmului de calcul.

În acest studiu, a fost considerată orientarea colectorilor solar termici spre sud, cu o înclinare

de 30º. Se poate investiga influenţa unghiului de înclinare asupra comportării sistemului şi se

poate optimiza acest parametru, în funcţie de locaţie (latitudine).

În figura alăturată este prezentată curba de variaţie a intensităţii radiaţiei solare incidente în

planul colectorilor solari termici, pentru orientarea şi înclinarea considerată (calculată conform

algoritmului disponibil la adresa: http://mugurbalan.eu/sst/2_1_b.pdf).

0

200

400

600

800

1000

1200

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640Rad

iati

e s

ola

ra -

pl.

incl

inat

[W

/m2 ]

Timp [ore]

Intensitatea radiaţiei solare incidente în planul colectorilor solari termici

http://mugurbalan.eu/sst/2_1_b.pdf

7

Caracteristici tehnice şi constructive

Încălzire

Zona rezidenţială investigată, este considerată ca fiind compusă din 1000 apartamente

(locuinţe) a câte 100 m2 fiecare, iar în aceste apartamente locuiesc în total 3000 persoane (o

medie de 3 persoane / apartament). Evident, toate elementele acestei configuraţii sunt

flexibile.

Puterea termică necesară pentru încălzire ( incQ [W]), se determină cu relaţia:

exiinc ttSkQ

unde:

k·S = 120 kW/K este un parametru caracteristic al transferului termic pentru clădirile

considerate şi este în concordanţă cu (Guadalfajara et al., 2014a);

ti = 21 °C este temperatura considerată în interiorul apartamentelor;

tex [°C] este temperatura exterioară, considerată variabilă, conform TMY.

În cazul temperaturilor exterioare peste 12 °C se consideră că sistemul de încălzire

centralizată (termoficare), nu mai livrează căldură ( incQ = 0), dar continuă să livreze agent

termic pentru preparare a.c.m.

În figurile alăturate sunt prezentate curbele de variaţie orară şi lunară a puterii termice,

respectiv a căldurii necesare pentru încălzire.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Pu

tre

term

ica

[K

W]

Timp [ore] (un an)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


Ene

rgie

te

rmic

a (i

nca

lzir

e)

[MW

h]

Necesar caldura incalzire

Curbele de variaţie a puterii termice, respectiv a căldurii necesare pentru încălzire

8

Preparare a.c.m.

Profilul zilnic de consum a.c.m. a fost considerat cel prezentat în studiul experimental

(Energy Saving Trust, 2008), corelat cu consumul mediu zilnic de apă caldă pe persoană,

conform (50 l/persoană la temperatura de 45 °C). În studiul realizat în UK şi menţionat

anterior, se arată că singurul parametru important, de care depinde consumul de apă caldă în

apartamentele din zone rezidenţiale, este numărul de persoane, iar ceilalţi parametri care au

fost investigaţi (zona geografică, numărul de copii şi tipul sistemului de preparare a.c.m.),

prezintă importanţă secundară.

În figurile alăturate sunt prezentate profilurile de consum a.c.m. aferente cazului în care

temperatura a.c.m. este de 60 °C (30 l/persoană/zi), respectiv cazului în care temperatura

a.c.m. este de 45 °C (50 l/persoană/zi) şi consumul de energie necesar pentru prepararea

a.c.m. la 60 °C, respectiv la 40 °C.

0

1

2

3

4

5

6

7

1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324

Co

nsu

m o

rar

[l/h

]

Ora din zi

60 C 45 C

Profil consum orar a.c.m.

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Co

nsu

m e

ner

gie

a.c.

m. [

kWh

]

Ora din zi

60 40

Consum de energie pentru preparare a.c.m.

Se observă că din punct de vedere energetic, este echivalent dacă se prepară 30 l/persoană/zi

a.c.m. la 60 °C, respectiv 50 l/persoană/zi a.c.m. la 40 °C.

Pentru realizarea studiului, s-a considerat că profilul zilnic de consum a.c.m. se repetă identic,

pe durata întregului an.

Puterea termică necesară pentru prepararea a.c.m. ( acmQ [kW]) se determină cu relaţia:

τ

ttcmQ wrwcww

acm

unde:

mw [kg] este cantitatea de a.c.m. preparată în fiecare oră;

cw = 4.186 kJ/kgK este căldura specifică a apei;

twc [°C] este temperatura a.c.m. preparate;

twr [°C] este temperatura apei reci la intrarea în sistemul de preparare a.c.m.;

τ = 1 h = 3600 s este durata perioadei de consum / preparare a.c.m.

9

Observaţie:

În (Energy Saving Trust, 2008) se arată că deşi temperatura nominală de preparare a.c.m. în sistemele

investigate a fost de 60 °C, măsurătorile au evidenţiat temperaturi efective măsurate, mai reduse, cu valori medii

de 52.9 °C în cazul rezervoarelor clasice pentru preparare a.c.m. (aşa numitele boilere) respectiv de 49.5 °C în

cazul sistemelor de preparare a.c.m. integrate în cazane murale. În plus, măsurătorile efectuate în cadrul

studiului, au arătat că apa rece, are de regulă temperatura mai mare decât valoarea de 10 °C, considerată în

normative, valoarea medie fiind de 15.2 °C. Aceste diferenţe pot să explice faptul că valorile măsurate ale

energiei consumate pentru prepararea a.c.m. în locuinţele considerate, sunt mai mici decât valorile normate în

(Building Research Establishment Domestic Energy Model – BREDEM) (BREDEM 2012).

Pentru determinarea temperaturii apei reci la intrarea în sistemul de preparare a.c.m. (twr) a

fost considerată o variaţie liniară în funcţie de temperatura ambiantă, de la 9 °C (pentru

temperatura exterioară de -20 °C), până la 15 °C (pentru temperatura exterioară de 30 °C).

În figura alăturată este prezentată curba de variaţie a temperaturii apei reci, în condiţiile de

variaţie a temperaturii exterioare conform TMY pentru Zaragoza.

0

5

10

15

20

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Tem

per

atu

ra a

pei

rec

i [�

C]

Timp [ore] (un an)

Curba de variaţie a temperaturii apei reci pentru Zaragoza

În figurile alăturate sunt prezentate curbele de variaţie orară şi lunară a puterii, respectiv a

căldurii necesare pentru preparare a.c.m.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Pu

tre

term

ica [

KW

]

Timp [ore] (un an)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


Ene

rgie

te

rmic

a (a

cm)

[MW

h]

Necesar caldura acm

Curba de variaţie a puterii termice necesare pentru preparare a.c.m.

10

Încălzire şi preparare a.c.m.

În figurile alăturate sunt prezentate curbele de variaţie orară şi lunară a puterii termice totale

( totQ [kW]), respectiv a căldurii necesare pentru încălzire şi preparare a.c.m., care se

determină cu relaţia:

acminctot QQQ

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Pu

tre

term

ica

[K

W]

Timp [ore] (un an)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov DecEne

rgie

te

rmic

a (i

nca

lzir

e +

acm

) [M

Wh

]

Necesar caldura incalzire Necesar caldura acm

Curbele de variaţie a puterii termice, respectiv a căldurii necesare pentru

încălzire şi preparare a.c.m.

Regimul termic al sistemul de încălzire centralizată (termoficare)

Se consideră că sistemele de încălzire din locuinţe sunt noi şi prevăzute să funcţioneze cu

agent termic de joasă temperatură, respectiv fie sunt de tipul încălzire în pardoseală, fie sunt

ventiloconvectoare. În aceste condiţii, se consideră că sistemele de încălzire de joasă

temperatură din apartamente au temperatura pe tur de 40 °C şi temperatura pe retur de 35 °C.

Evident, şi aceste valori sunt configurabile.

Se consideră că sistemele de preparare a.c.m. din apartamente, sunt tot sisteme de joasă

temperatură şi că temperatura la care este preparată a.c.m. este de 40 °C.

În condiţiile în care atât sistemele de încălzire cât şi sistemele de preparare a.c.m. din

apartamente, sunt de joasă temperatură şi având în vedere că ambele sisteme au temperatura

maximă care trebuie asigurată de 40 °C, se poate considera că şi reţeaua termică a sistemului

de încălzire centralizată (termoficare) este tot una de joasă temperatură. Temperatura minimă

pe turul acestei reţele este de 45 °C, iar temperatura pe returul acestei instalaţii este de 40 °C.

Schema regimului termic (minimal) în punctele termice ale consumatorilor

t [°C]

S [m2]

45

40 40

35

11

Colectorii solari termici

În cadrul studiului a fost investigată influenţa dimensiunii câmpului de colectori solari termici

asupra caracteristicilor şi comportării sistemului de termoficare. Pentru situaţia de referinţă se

consideră că există un număr de 400 colectori solari termici plani de tip Arcon-Sunmark HT-

SolarBoost 35/10, acest model fiind prezentat în imaginea alăturată.

Colectori solari termici plani de tip Arcon-Sunmark HT-SolarBoost 35/10

Aceşti colectori, special proiectaţi pentru sisteme de dimensiuni mari, sunt realizate din câte 5

panouri solare termice.

Caracteristicile tehnice ale colectorilor considerate în studiu, sunt cele furnizate de

laboratorul independent de testare Solartechnic Prüfung Forschung din Elveţia şi sunt

prezentate în tabelul alăturat.

Caracteristicile tehnice ale colectorilor solari termici

Nr. crt. Denumire Notaţie Valoare U.M.

1 Apertura A 12.56 m2

2 Randament optic η0 0.838 -

3 Coeficient pierderi termice k1 2.46 W/m2K

4 Coeficient pierderi termice k2 0.097 W/m2K

2

Randamentul sistemului solar termic se determină cu relaţia:

gt

2

2gt

10I

Δtk

I

Δtkηη

unde:

- Igt [W/m2] este intensitatea radiaţiei termice globale incidente pe planul înclinat al

colectorilor a cărei variaţie a fost prezentată anterior (calculată conform algoritmului

disponibil la adresa: http://mugurbalan.eu/sst/2_1_b.pdf);

- Δt [°C] este diferenţa dintre temperatura medie a agentului termic din sistemul solar

termic şi temperatura mediului ambiant şi se determină cu relaţia:

exsretur,stur,

t2

ttΔt

unde:

- ttur,s = 90 °C este temperatura pe turul sistemului solar termic (ieşire din colectori) (se

presupune că sistemul solar termic, este automatizat astfel încât temperatura la ieşire este constantă);

- tretur,s [°C] este temperatura pe returul sistemului solar termic (intrare în colectori),

care se obţine prin amestecul a trei debite, reprezentând returul sistemului solar

termic: debitul care se întoarce direct din sistemul de încălzire centralizată

(termoficare), debitul care se întoarce din rezervorul de stocare (la temperatura din

rezervor) şi debitul care se întoarce din sistemul de evacuare a căldurii solare

http://mugurbalan.eu/sst/2_1_b.pdf

12

disponibile în exces (dacă există această situaţie, se consideră că acest debit se

întoarce cu temperatura din returul sistemului de încălzire centralizată);

- tex [°C] este temperatura ambiantă.

Puterea utilă a sistemului solar termic ( sQ [kW]) se determină cu relaţia:

ηAnIQ gts

unde n este numărul de colectori solari termici. Pentru situaţia de referinţă (n = 400).

Apertura totală, pentru cei 400 colectori este de 5022 m2.

În figurile alăturate sunt reprezentate curbele de variaţie a temperaturii pe returul sistemului

solar termic (SST) şi a temperaturii medii a agentului termic din sistemul solar termic.

40

50

60

70

80

90

100

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Tem

p.

SS

T (

retu

r) [

�C]

Timp [ore] (one year)

Temperatura pe returul SST

40

50

60

70

80

90

100

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Tem

p.

SS

T (

med

ie)

[�C

]

Timp [ore] (one year)

Temperatura medie a SST

În figurile alăturate sunt reprezentate curbele de variaţie a randamentului sistemului solar

termic (η), respectiv a puterii termice utile a sistemului solar termic ( sQ ) şi a căldurii utile

produse de sistemul solar termic (înglobată în agentul termic).

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Ra

md

am

ent

SS

T [

�C]

Timp [ore] (un an)

Randament SST

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Pu

tere

ter

mic

a a

SS

T [

KW

]

Timp [ore] (un an)

Putere SST

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


Ene

rgie

te

rmic

a (s

ola

r te

rmic

) [M

Wh

]

Caldura produsa de SST Căldură SST

La sfârşitul sezonului cald şi începutul sezonului de încălzire, creşte mult temperatura pe

returul sistemului solar termic şi temperatura medie în sistemul solar termic, ceea ce

determină reducerea randamentului termic al acestui sistem (cresc pierderile deoarece

temperatura medie a agentului termic este mai ridicată).

13

Rezervorul de stocare termică sezonieră

În cadrul studiului a fost investigată influenţa capacităţii (volumului) rezervorului de stocare

termică sezonieră asupra caracteristicilor şi comportării sistemului de termoficare. Pentru

configuraţia de referinţă se consideră că volumul rezervorului de stocare este de 20000 m3. Se

consideră că rezervorul de stocare este de formă cilindrică şi că este îngropat (diametrul ≈35 m,

iar înălţimea ≈20 m). Rezervorul de stocare este considerat izolat adiabatic (se neglijează pierderile

de căldură prin transfer termic cu solul).

Căldura acumulată în rezervorul de stocare (Qa [kWh]), într-un interval de timp (τ = 1 h) se

poate scrie sub forma:

ww

ss,sts,wwwwss,sts,a

cm

τQQΔtΔtcmτQQQ

unde:

sts,Q [kWh] este fracţia (partea) din puterea termică utilă a sistemului solar care este

introdusă în rezervorul de stocare;

ss,Q [kWh] este puterea termică preluată din rezervor şi livrată în sistemul de încălzire

centralizată;

mw [kg] este masa de apă din rezervorul de stocare;

cw = 4.18 kJ/kgK este căldura specifică a apei;

Δtw [°C] este variaţia temperaturii apei din rezervor în intervalul de timp τ.

Cu ajutorul acestei relaţii se poate determina variaţia temperaturii apei din rezervorul de

stocare, în fiecare interval τ = 1 h, pentru care se efectuează calculele, respectiv temperatura

apei după fiecare interval de timp.

În funcţie de raportul dintre sts,Q şi ss,Q , variaţia temperaturii (Δtw) poate fi pozitivă sau

negativă, iar temperatura apei poate să crească (acumulare de căldură) sau să scadă

(descărcare termică).

Temperatura minimă a apei din rezervorul de stocare sezonieră a căldurii (trez,min [°C]), este

considerată egală cu temperatura minimă pe turul sistemului de încălzire centralizată,

respectiv (trez,min = 45 °C).

Dacă temperatura din rezervor (trez [°C]) atinge valoarea minimă, înseamnă a acesta nu mai

poate deservi sistemul de încălzire centralizată şi se opreşte curgerea apei pe circuitul dintre

rezervorul de stocare şi zona rezidenţială deservită.

Temperatura maximă a apei din rezervorul de stocare sezonieră a căldurii (trez,max [°C]), este

considerată egală cu temperatura agentului termic produs de sistemul solar termic, respectiv

(trez,max = 90 °C).

Dacă temperatura din rezervor (trez [°C]) atinge valoarea maximă, înseamnă că acesta trebuie

decuplat de la sistemul solar termic şi se opreşte curgerea apei pe circuitul dintre sistemul

solar termic rezervorul de stocare.

Se consideră că temperatura iniţială a apei din rezervor este de 45 °C.

14

Regimuri de funcţionare şi componente energetice

Regimul de funcţionare al sistemului solar de încălzire centralizată (termoficare) depinde de

doi parametrii:

- Raportul dintre puterea termică totală necesară pentru încălzire şi preparare a.c.m.

( totQ ) şi puterea utilă a sistemului solar termic ( sQ );

- Valoarea temperaturii din rezervorul de stocare (trez), faţă de valorile minimă şi

maximă admisă.

Din punctul de vedere al raportului dintre cele două puteri termice ( totQ şi sQ ) există două

situaţii posibile:

- ( totQ ≥ sQ ) (toată căldura „solară” este utilizată de consumatori);

- ( totQ < sQ ) (căldura solară se distribuie între consumatori şi rezervorul de stocare).

Din punctul de vedere al temperaturii din rezervor, faţă de valorile minimă şi maximă admisă,

există trei situaţii posibile:

- (trez < trez,min) (rezervorul poate doar să acumuleze căldură, dacă există disponibil);

- (trez,min ≤ trez ≤ trez,max) (rezervorul poate să acumuleze căldură sau să cedeze căldură);

- (trez > trez,max) (rezervorul nu mai poate să acumuleze căldură).

În tabelul alăturat sunt prezentate cele 6 regimuri de funcţionare posibile, care rezultă ca şi

combinaţie a cazurilor menţionate. Tabelul conţine şi relaţiile de calcul pentru puterile

termice care se pot manifesta în sistemul solar de încălzire centralizată considerat.

Regimurile posibile de funcţionare ale sistemului solar de încălzire centralizată trez < trez,min trez,min ≤ ttrez ≤ trez,max trez ≥ trez,max

totQ ≥ sQ totQ < sQ totQ ≥ sQ totQ < sQ totQ ≥ sQ totQ < sQ

A B C D E F

is,Q = sQ is,Q = totQ is,Q = sQ is,Q = totQ is,Q = sQ is,Q = totQ

sts,Q =0 sts,Q = sQ - totQ sts,Q =0 sts,Q = sQ - totQ sts,Q =0 sts,Q =0

exs,Q =0 exs,Q =0 exs,Q =0 exs,Q =0 exs,Q =0 exs,Q = sQ - totQ

ss,Q =0 ss,Q =0 ss,Q = totQ - is,Q ss,Q =0 ss,Q = totQ - is,Q ss,Q =0

gQ = totQ - is,Q gQ =0 gQ =0 gQ =0 gQ =0 gQ =0

- totQ : Puterea termică totală necesară în sistemul de termoficare (încălzire şi a.c.m.)

- sQ : Puterea utilă a sistemului solar termic

- is,Q : Fracţia (partea) din puterea termică utilă a sistemului solar care este introdusă în

sistemul de încălzire centralizată

- sts,Q : Fracţia (partea) din puterea termică utilă a sistemului solar care este introdusă

în rezervorul de stocare;

- exs,Q : Fracţia (partea) din puterea termică utilă a sistemului solar care este în exces şi

trebuie evacuată (reprezintă pierdere energetică);

- ss,Q : Puterea termică preluată din rezervor şi livrată în sistemul de încălzire;

- gQ : Puterea termică a cazanului cu funcţionare pe gaz.

15

În tabelul alăturat este prezentată o descriere a regimurilor posibile de funcţionare ale

sistemului solar de încălzire centralizată.

Descrierea regimurilor de funcţionare ale sistemului solar de încălzire centralizată Componenta A B C D E F

Sist. sol. term. Numai încălzire Încălzire şi stocare Numai încălzire Încălzire şi stocare Numai încălzire Căldură în exces

Rezervor Rămâne rece Acumulare Descărcare Acumulare Descărcare Rămâne rece

Cazan Încălzire pe gaz Fără consum gaz Fără consum gaz Fără consum gaz Fără consum gaz Fără consum gaz

Fracţia solară

Fracţia solară (SF [-], [%]) reprezintă ponderea cu care contribuie sistemul solar termic

(direct sau din rezervorul de stocare sezonieră) la asigurarea necesarului total de putere

termică şi se determină cu relaţia:

tot

ss,is,

Q

QQSF

Fracţia solară poate fi calculată pentru fiecare interval considerat: orar, lunar, sau pentru tot

anul.

În figura alăturată este prezentată curba de variaţie lunară a fracţiei solare.

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%


Frac

tia

sola

ra lu

nar

a [%

]

Fractia solara

Curba de variaţie lunară a fracţiei solare

Pentru configuraţia de referinţă considerată, fracţia solară anuală este de 58.6 %.

De regulă sistemele solare termice de termoficare se proiectează pentru a asigura o fracţie

solară anuală în intervalul (20…80) %, cu o medie în jurul valorii de (40…50) %.

16

Comportarea dinamică a sistemului solar de încălzire centralizată (termoficare)

În figura alăturată este prezentată curba de variaţie a temperaturii apei din rezervorul de

stocare.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640Tem

per

atu

ra d

in r

eze

rvo

r [�

C]

Timp [ore] (un an)

Curba de variaţie a temperaturii apei din rezervorul de stocare

Se observă că în configuraţia de referinţă a sistemului solar de încălzire centralizată,

temperatura apei din rezervor se modifică între limitele admise, dar există o perioadă

îndelungată în care temperatura se menţine în jurul valorii maxime, iar în această perioadă

există exces de căldură provenită din sistemul solar, care trebuie evacuată (reprezintă o pierdere).

În figurile alăturate sunt prezentate curbele de variaţie orară şi lunară a puterii termice solare

în exces, respectiv a căldurii solare în exces.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Pu

tere

ter

m. ex

ces

sola

r [K

W]

Timp [ore] (un an)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


Ene

rgie

te

rmic

a (s

ola

r in

exc

es)

[M

Wh

]

Caldura livrata de SST in exces

Curbele de variaţie a puterii termice, respectiv a căldurii solare în exces

Excesul de putere termică solară poate fi eliminat, fie prin mărirea volumului rezervorului, fie

prin reducerea numărului de colectoare solare termice, respectiv a suprafeţei totale a acestora

(apertura totală). Creşterea volumului rezervorului, măreşte costul investiţiei, dar creşte

valoarea fracţiei solare, iar reducerea numărului de colectoare, reduce costul investiţiei, dar

scade valoarea fracţiei solare.

17

În figurile alăturate sunt prezentate curbele de variaţie a puterilor termice, respectiv ale

căldurilor componente ale sistemului solar de încălzire centralizată.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Pu

tere

ter

mic

a i

n S

IC [

KW

]

Timp [ore] (un an)

Puterea termică solară pt. termoficare ( is,Q )

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


Ene

rgie

te

rmic

a (s

ola

r d

ir. i

nc.

) [M

Wh

]

Caldura livrata de SST direct in "termoficare"

Căldură solară pt. termoficare (Qs,i)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Pu

tere

ter

m. in

sto

care

[K

W]

Timp [ore] (un an)

Puterea termică solară pt. stocare ( sts,Q )

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


Ene

rgie

te

rmic

a (s

ola

r in

re

z.)

[MW

h]

Caldura livrata de SST in stocare

Căldură solară pt. stocare (Qs,t)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640Pu

tere

ter

m. d

in s

toca

re [

KW

]

Timp [ore] (un an)

Puterea termică solară din stocare ( ss,Q )

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


Ene

rgie

te

rmic

a (s

ola

r d

in r

ez.

) [M

Wh

]

Caldura preluata din stocare

Căldură solară din stocare (Qs,s)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Pu

tere

ter

m. d

in g

az

[KW

]

Timp [ore] (un an)

Puterea termică pe gaz ( gQ )

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


Ene

rgie

te

rmic

a (d

in g

az)

[MW

h]

Caldura din gaz

Căldură din gaz (Qg)

18

Bilanţuri energetice lunare

În figurile alăturate sunt prezentate necesarul de căldură lunar şi componentele acestuia,

pentru verificarea bilanţurilor energetice lunare. Pe de-o parte sunt prezentate necesarul de

căldură pentru încălzire şi a.c.m., iar pe de altă parte sunt prezentate componentele producţiei

de căldură: din sistemul solar termic direct în sistemul de încălzire centralizată (termoficare),

din rezervorul de stocare sezonieră, respectiv din gaz.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


rgie

te

rmic

a (i

nca

lzir

e +

acm

) [M

Wh

]

Necesar total caldura (incalzire + acm)

Necesarul de căldură cumulat

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


rgie

te

rmic

a (i

nca

lzir

e +

acm

) [M

Wh

]

Necesar caldura incalzire Necesar caldura acm

Necesarul de căldură: încălzire + acm

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


Ene

rgie

te

rmic

a (s

ola

r) [

MW

h]

Direct in "termoficare" Din stocare Din gaz

Producţia de căldură: solar + stocare + gaz

Se observă că bilanţurile energetice lunare, se verifică atât pentru componentele necesarului

de căldură, cât şi pentru componentele producţiei de căldură.

În figurile alăturate sunt prezentate căldura produsă lunar de sistemul solar termic şi modul de

distribuţie a acesteia: direct în sistemul de încălzire centralizată (termoficare), în rezervorul

de stocare sezonieră, respectiv în exces.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


Ene

rgie

te

rmic

a (s

ola

r te

rmic

) [M

Wh

]

Caldura produsa de SST

Căldura produsă de SST

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


Ene

rgie

te

rmic

a (s

ola

r) [

MW

h]

Direct in "termoficare" In stocare In exces

Component căldură solară: dir. în termoficare + în stocare + în exces

Se observă că bilanţurile energetice lunare, se verifică şi pentru componentele căldurii

produse de sistemul solar termic.

19

Optimizare constructivă

Configuraţia de referinţă a sistemului solar de încălzire centralizată prevede 400 colectoare

solare termice cu o apertură totală de 5022 m2 şi rezervor de stocare cu volumul de 20000 m

3.

În urma analizei componentelor energetice ale sistemului solar de încălzire centralizată

investigat se observă că:

- Fracţia solară anuală, având valoarea de 58.6 % este superioară valorii de 50 %, care

fost dorită ;

- Există energie solară în exces, care trebuie evacuată şi care reprezintă o pierdere X;

Optimizarea urmărită constă în realizarea unor modificări constructive ale sistemului solar de

încălzire investigat, în vederea eliminării excesului de energie solară.

Există două soluţii posibile:

- Reducerea numărului de colectoare solare termice, respectiv a suprafeţei de colectare

a energiei solare (pentru reducerea disponibilului de căldură provenită din energia

solară);

- Creşterea volumului rezervorului de stocare (pentru creşterea capacităţii de stocare a

disponibilului de căldură din energia solară).

Reducerea numărului de colectoare solare termice

Numărul maxim de colectoare solare termice (rotunjit la zeci de unităţi) care permite

eliminarea excesului de energie solară este 220 şi corespunde unei aperturi totale de 2762 m2.

Această modificare reprezintă o reducere a aperturii totale a sistemului solar termic de

aproximativ 45 %.

Fracţia solară anuală în configuraţia (220 colectori solari termici cu apertura totală de 2762

m2 şi rezervor de stocare cu volumul de 20000 m

3) este de 48.4 %.

Mărirea volumului rezervorului de stocare

Volumul minim al rezervorului de stocare (rotunjit la sute de m3) care permite eliminarea

excesului de energie solară cu sistemul solar termic din configuraţia iniţială este 50900 m3.

Volumul minim ale rezervorului de stocare sezonieră, care permite stocarea căldurii provenite

din energia solară, fără apariţia excesului de energie solară, poartă denumirea de volum critic.

Această modificare reprezintă o creşterii volumului de stocare al sistemului solar termic de

aproximativ 154.5 %.

Fracţia solară anuală în configuraţia (400 colectori solari termici cu apertura totală de 5022

m2 şi rezervor de stocare cu volumul de 50900 m

3) este de 71 %.

20

Variaţia temperaturii apei din rezervor

În figura alăturată sunt prezentate curbele de variaţie a temperaturii apei din rezervor în cele

trei situaţii investigate.

0

20

40

60

80

100

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Tem

per

atu

ra d

in r

ezer

vor

[�C

]

Timp [ore] (un an)

Ref S- V+

Curbele de variaţie a temperaturii apei din rezervor

În tabelul alăturat sunt prezentaţi parametrii caracteristici ai celor 3 configuraţii investigate

ale sistemului solar de încălzire centralizată.

Parametrii caracteristici ai celor 3 configuraţii investigate

Notaţie Nr. colectori

[buc]

Apertură

[m2]

Volum

[m3]

SF

[%] Obs.

Ref 400 5022 20000 58.6 Referinţă

S- 220 2762 20000 48.4 -45%

V+ 400 5022 50900 71.0 +151%

Se observă că faţă de configuraţia de referinţă, în cele două variante optimizate, temperatura

apei din rezervor creşte în perioada cu disponibil de energie solară, până aproape (88.1 °C, în

configuraţia „S-”) sau până la valoarea maximă admisă (în acest caz 90 °C, în configuraţia „V+”), dar

nu mai prezintă palierul caracteristic pentru configuraţia de referinţă.

Datorită corelaţiei dintre volumul rezervorului de stocare şi apertura sistemului solar termic

(pentru cele două configuraţii optimizate), în perioada de acumulare a căldurii în rezervor,

curba de creştere a temperaturii apei este foarte apropiată, dar în perioada de utilizare a

căldurii acumulate, în configuraţia cu volum mai mare, scăderea temperaturii apei este mai

lentă şi rezervorul de stocare poate să alimenteze consumatorii cu căldură în toată perioada

până la sfârşitul anului.

21

În figurile alăturate sunt prezentate componentele producţiei de căldură în configuraţia de

referinţă şi în configuraţiile optimizate.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


Ene

rgie

te

rmic

a (s

ola

r) [

MW

h]


Configuraţia de referinţă

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


Ene

rgie

te

rmic

a (s

ola

r) [

MW

h]


Sistem solar cu suprafaţă redusă (S-)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


Ene

rgie

te

rmic

a (s

ola

r) [

MW

h]


Rezervor de stocare cu volum mărit (V+)

Componentele producţiei de căldură

Se observă că în configuraţia cu suprafaţă redusă a sistemului solar termic (S-), creşte

ponderea căldurii din gaz (practic în toate lunile în care aceasta există). În configuraţia cu

volum mărit (V+), ponderea căldurii din gaz scade, iar în luna decembrie, această pondere

este chiar egală cu zero, deoarece există suficientă căldură acumulată în rezervorul de stocare.

În aceste condiţii, faţă de configuraţia de referinţă, fracţia solară scade în configuraţia (S-) şi

creşte în configuraţia (V+).

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


Ene

rgie

te

rmic

a (s

ola

r) [

MW

h]


Configuraţia de referinţă

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


Ene

rgie

te

rmic

a (s

ola

r) [

MW

h]


Sistem solar cu suprafaţă redusă (S-)

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600


Ene

rgie

te

rmic

a (s

ola

r) [

MW

h]


Rezervor de stocare cu volum mărit (V+)

Componentele căldurii produse de sistemul solar termic

(fără căldură disponibilă în exces, pentru configuraţiile optimizate)

Se observă că în ambele configuraţii optimizate, este eliminată căldura disponibilă în exces

de la sistemul solar termic.

Se observă că în configuraţia cu suprafaţă redusă a sistemului solar termic (S-), scade

producţia de căldură a sistemului solar termic, iar în configuraţia cu volum mărit (V+),

această producţie se păstrează ca în configuraţia iniţială.

22

Dimensionarea tronsoanelor reţelei termice

În continuarea studiului, sunt prezentate rezultate obţinute pentru configuraţia cu suprafaţă

redusă a sistemului solar termic (S-).

Debitele masice instantanee de agent termic din fiecare tronson de reţea termică, se

dimensionează din ecuaţiile de bilanţ energetic pe aceste tronsoane.

În figurile alăturate sunt prezentate curbele de variaţie a debitelor instantanee, prin

tronsoanele reţelei termice considerate.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Deb

it S

ol-

Con

s [k

g/s

]

Timp [ore] (un an)

Sistem solar - Consumatori

0

20

40

60

80

100

120

140

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640D

ebit

Sol-

Rez

[k

g/s

]

Timp [ore] (un an)

Sistem solar - Rezervor

0

20

40

60

80

100

120

140

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Deb

it R

ez-C

on

s [k

g/s

]

Timp [ore] (un an)

Rezervor - Consumatori

0

20

40

60

80

100

120

140

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Deb

it G

az-

Co

ns

[kg

/s]

Timp [ore] (un an)

Gaz - Consumatori

Debitele instantanee de agent termic prin tronsoanele reţelei

În funcţie de valorile maxime ale debitelor, au fost dimensionate conductele fiecărui tronson

în parte, prin selecţie din catalogul unui producător de ţevi preizolate SET cu fabrici în

Islanda şi Germania, astfel încât viteza de curgere a agentului termic prin ţevi, să fie în jurul

valorii de 1 m/s. În tabelul alăturat sunt prezentate valorile diametrelor nominale ale

conductelor de pe fiecare tronson în parte şi lungimile considerate pentru fiecare tronson în

parte. Lungimile sunt configurabile.

Tronson Sist. solar - Consumatori Sist. solar - Rezervor Rezervor - Consumatori Cazan - Consumatori

DN [mm] 80 250 400 125

Lungime [m] 500 300 600 400

Tronsonul de conductă dintre sistemul solar termic şi echipamentele de disipare a căldurii în

exces, se dimensionează pentru condiţiile cele mai nefavorabile estimate, în care poate să

existe exces de căldură în sistemul solar termic. (În studiu nu este inclusă această analiză).

Se observă că tronsoanele cu debite mari, sunt caracterizate şi prin diametre mari ale

conductelor.

23

Energia consumată pentru pompare

După dimensionarea conductelor, au fost calculate vitezele reale de curgere, căderile de

presiune şi energia consumată pentru pompare (vehicularea agentului termic prin conductele

reţelei termice).

În figurile alăturate sunt prezentate valorile globale lunare, ale energiei de pompare, în

întreaga reţea considerată.

0

2

4

6

8


Ene

rgie

ne

cesa

ra p

t p

om

par

e [

MW

h]

Necesar lunar energie pt pompare

Valoarea necesarului total anual de energie pentru pomparea agentului termic prin reţeaua

considerată este de 79.2 MWh/an. Considerând un randament de conversie a electricităţii în

energie mecanică (potenţială de presiune, necesară pentru pompare), de 95 %, rezultă un

consum anual de energie electrică pentru pompare de 83.4 MWh/an.

Considerând preţul unitar pentru energia electrică în Spania, în anul 2019 (cf. Eurostat) de

133.6 Euro/MWh de energie electrică (cu toate taxele incluse, pentru consumatori necasnici),

rezultă un cost anual al energiei electrice pentru pompare de 11142 Euro/an.

24

Pierderile de căldură prin conducte

Pentru determinarea pierderilor de căldură au fost considerate 3 nivele de izolare termică a

conductelor reţelei termice:

- „Series 1” cu grosimea stratului de izolaţie termică (poliuretan) între (30…90) mm, în

funcţie de diametrul ţevii;

- „Series 2” cu grosimea stratului de izolaţie termică (poliuretan) între (40…140) mm,

în funcţie de diametrul ţevii;

- „Series 3”, cu grosimea stratului de izolaţie termică (poliuretan) între (45…190) mm,

în funcţie de diametrul ţevii.

Temperatura pe turul fiecărui tronson în parte a fost determinată în funcţie de condiţiile

instantanee de lucru ale conductelor.

Valorile temperaturilor agentului termic pe tur în funcţie de regimurile de lucru [°C] Regim Sist. solar - Consumatori Sist. solar - Rezervor Rezervor - Consumatori Cazan - Consumatori

Funcţionare 90 90 trez 90

Nefuncţionare Răcire progresivă Răcire progresivă Răcire progresivă Răcire progresivă

Pe tronsonul de reţea dintre rezervorul de stocare sezonieră şi consumatori, temperatura în

perioadele de funcţionare, este egală cu temperatura apei din rezervor. Pe toate tronsoanele,

în perioadele de nefuncţionare, se consideră răcirea progresivă a agentului termic, datorită

transferului termic spre sol, deoarece că toate conductele sunt îngropate.

În figurile alăturate sunt prezentate curbele de variaţie instantanee ale temperaturilor pe turul

tronsoanelor de reţea, considerând nivelul 1 de izolare a conductelor.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Tem

p. tu

r so

l,co

ns

[�C

]

Timp [ore] (un an)

Sistem solar - Consumatori

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Tem

p. tu

r so

l,re

z [�

C]

Timp [ore] (un an)

Sistem solar - Rezervor

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Tem

p. tu

r re

z,co

ns

[�C

]

Timp [ore] (un an)

Rezervor - Consumatori

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 1440 2880 4320 5760 7200 8640

Tem

p. tu

r gaz

[�C

]

Timp [ore] (un an)

Gaz - Consumatori

Temperaturile pe turul tronsoanelor de reţea

Factorul care prezintă cea mai mare importanţă pentru variaţia temperaturii agentului termic

din conducte în perioadele de nefuncţionare, este cantitatea de apă din ţevi (determinată de

diametrul şi lungimea conductelor).

25

Se observă că pe tronsoanele dintre sistemul solar termic şi consumatori, respectiv rezervorul

de stocare sezonieră, temperatura din conductă prezintă valori sub 90 °C cu variaţii mai mari

pe tronsonul dintre sistemul solar termic şi consumatori, unde diametrul conductei este mai

mic.

Pe tronsonul de conductă dintre rezervor şi consumatori, temperatura apei din conductă

urmăreşte curba de variaţie a temperaturii apei din rezervor.

Pe tronsonul de conductă dintre cazan şi consumatori, în perioada de nefuncţionare a

conductei, apa din aceasta se răceşte treptat, până ajunge în echilibru cu solul în care este

îngropată.

În figurile alăturate sunt prezentate pierderile lunare globale de căldură din reţeaua termică,

pentru cele trei nivele de izolare a conductelor şi ponderea acestor pierderi, raportată la

necesarul anual de căldură.

0

5

10

15

20

25

30

35

40


Cal

du

ra p

ierd

uta

pri

n r

ete

le [

MW

h]

Caldura pierduta prin retele

Pondere: 5.6 %

0

5

10

15

20

25

30

35

40


Cal

du

ra p

ierd

uta

pri

n r

ete

le [

MW

h]


Pondere: 4.4 %

0

5

10

15

20

25

30

35

40


Cal

du

ra p

ierd

uta

pri

n r

ete

le [

MW

h]


Pondere: 3.6 %

Valorile pierderilor de căldură totale anuale în reţeaua termică, pentru cele trei nivele de

izolare, sunt prezentate în tabelul alăturat, şi costul acestor pierderi, considerând preţul

gazului metan în Spania de 37.1 Euro/ an (cf. Eurostat, cu toate taxele incluse, pentru

consumatori necasnici).

Valorile pierderilor de căldură totale anuale în reţeaua termică [MWh/an]

Nivel izolare Series 1 Series 2 Series 3

Pierderi [MWh/an] 332.0 260.6 215.6

Cost [Euro/an] 12319 9669 7997

Necesarul anual de căldură al sistemului rezidenţial considerat este de 5982 MWh/an.

Dacă această căldură ar fi produsă integral din gaz metan, cu un randament (al cazanului) de

90 %, rezultă un necesar anual de căldură înglobată în combustibil (gaz metan) de 6647

MWh/an, căreia în corespunde un cost anual de 246604 Euro/an.

Având în vedere că fracţia solară este de 48.4 %, rezultă un cost anual pentru sistemul de

încălzire centralizată care include şi sistemul solar termic, de cca. 127248 Euro/an, respectiv

o economie anuală de cca. 119356 Euro/an ≈120000 Euro/an.

26

Concluzii

Studiul prezintă o investigaţie asupra comportării unui sistem solar de încălzire centralizată

(termoficare), bazat pe un algoritm de calcul analitic.

Locaţia considerată pentru sistemul solar investigat, este Zaragoza, în Spania, dar asemenea

studii pot fi realizate pentru orice locaţie, în măsura în care sunt disponibile informaţii privind

condiţiile climatice. În acest studiu, condiţiile climatice au fost considerate conform anului

climatic tip (TMY), disponibil pe site-ul Uniunii Europene. Calculele au fost efectuate pentru

intervale de timp de o oră.

Zona rezidenţială deservită de sistemul solar de încălzire centralizată investigat, a fost

considerată ca fiind alcătuită din 1000 apartamente, fiecare având suprafaţa de câte 100 m2.

Numărul de locuitori considerat este de 3000. Aceste informaţii au fost utilizate pentru

evaluarea necesarului de căldură al sistemului de încălzire centralizată, dar configuraţia

consumatorilor deserviţi de sistemul de termoficare este flexibilă şi poate fi adaptată după

dorinţă, sau după necesităţi.

Modelul matematic elaborat, permite determinarea unor numeroşi parametri care definesc

atât condiţiile de lucru cât şi performanţele sistemului solar termic de încălzire centralizată

investigat.

Pentru parametrii determinaţi sunt prezentate fie variaţiile orare, fie variaţiile lunare sau chiar

anuale.

Studiul a permis optimizarea configuraţiei de referinţă, astfel încât să nu existe exces de

căldură provenită de la energia solară.

Fracţia solară a sistemului de referinţă a fost determinată la valoarea de 58.6 %, iar fracţiile

solare pentru configuraţiile optimizate au fost determinate la 48.4 % (pentru cazul sistemului

solar cu suprafaţă redusă), respectiv la 71.0 % (pentru cazul sistemului solar cu volum de

stocare sezonieră mărit).

Modelul matematic elaborat, permite determinarea energiei necesare pentru pomparea

agentului termic prin reţeaua termică şi determinarea pierderilor de căldură aferente reţelei

termice.

27

Referinţe bibliografice

1. BREDEM 2012: A technical description of the BRE Domestic Energy Model. Version

1.1.

2. Energy Saving Trust: Measurement of Domestic Hot Water Consumption in Dwellings,

2008.

3. Guadalfajara, M., Lozano, M.A., Serra, L.M.: Comparison of simple methods for the

design of central solar heating plants with seasonal storage. Energy Procedia 48, 1110–

1117 (2014).

4. Guadalfajara, M., Lozano, M.A., Serra, L.M.: A simple method to calculate Central Solar

Heating Plants with Seasonal Storage. Energy Procedia 48, 1096–1109 (2014).

5. Guadalfajara, M., Lozano, M.A., Serra, L.M.: Simple calculation tool for central solar

heating plants with seasonal storage. Solar Energy 120, 72–86 (2015).

Documents

SISTEME SOLARE TERMICE pentru încălzire şi preparare apă