“POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMI ŞOARA DEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING

1. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING Energii regenerabile 1.3. Analiza termoenergetică a locuinţelor uni familiale 1.3.1. Noţiuni introductive 1.3.2. Modelul matematic 1.3.3. Condiţii de testare 1.3.4. Programul de calcul_Temă

2. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING 1.3. ANALIZA TERMOENERGETICĂ A LOCUINŢELOR UNI FAMILIALE 1.3.1. Noţiuni introductive Se calculeazănecesarului de căldură al locuinţelor unifamiliare, bazată pe tendinţele actuale existente pe plan mondial în acest domeniu. Calculele şi analizele pot fi efectuate cu ajutorul unui program şi sunt deosebit de utile în contextul interesului actual asupra subiectului, corelat şi cu posibilitatea de utilizare a energiilor regenerabile, ca sursă de energie termică pentru încălzire şi prepararea apei calde menajere. 2

3. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING Analiza se realizeazată în contextul internaţional în care conceptele de conservare a energiei, de reducere a emisiilor de noxe şi substanţe poluante, de independenţă energetică, de impact asupra mediului şi altele, capătă o semnificaţie tot mai importantă. 3

4. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING În România, cea mai mare parte a clădirilor pentru locuit, au fost realizate fără preocupări semnificative pentru calitatea energetică a acestora, dar în ultimii ani au fost introduse reglementări precise în acest domeniu şi se observă o preocupare tot mai atentă pentru aspectele legate de izolarea termică şi de soluţiile eficiente pentru producerea energiei termice. În vederea atingerii obiectivelor acestui studiu de analiză termoenergetică a locuinţelor unifamiliale, necesarul de căldură se parametrizează, pentru a putea fi identificată influenţa fiecărui factor asupra necesarului de căldură şi chiar asupra costurilor. 4

5. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING Elaborarea modelului matematic se realizează cu scopul de a permite minimizarea necesarului de sarcină termică a locuinţelor, parametru care dacă este corect determinat, permite şi selectarea corectă a echipamentului de încălzire. Algoritmul de calcul, a fost implementat cu ajutorul limbajului PHP, într-o aplicaţie clientserver şi a fost testat într-un studiu de caz, cu scopul obţinerii unor concluzii relevante, privind influenţa unor parametrii asupra necesarului de căldură (http://v1.academicdirect.org/molecular_dynamics/heating_building/form.php) 5

6. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING Fig. 1.30. Sistem de preparare a apei calde menajere în boiler, cu energie solară sau altă sursă de energie www.viessmann.com

7. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING 1.3.2. Modelul matematic Necesarul de căldură al locuinţelor Q’ , poate fi determinat prin însumarea celor trei componente majore ale acestuia: unde: - Q1’ este sarcina sau puterea termică transmisă prin anvelopa clădirii; - Q2’ este sarcina sau puterea termică datorată ventilării sau aerisirii; - Q3’ este sarcina sau puterea termică pentru prepararea apei calde menajere. 7

8. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING Sarcina sau puterea termică transmisă prin anvelopă, prezintă la rândul ei mai multe componente, care pot fi însumate: unde: - este sarcina sau puterea termică transmisă prin pereţi; -este sarcina sau puterea termică transmisă prin tavan; -este sarcina sau puterea termică transmisă prin ferestre; -este sarcina sau puterea termică transmisă prin podea; -este sarcina sau puterea termică transmisă prin podeaua pivniţei. 8

9. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING Sarcinile termice transmise prin elementele anvelopei clădirii, se determină cu relaţii decalcul de tipul: • unde: • ki reprezintă coeficientul global de transfer termic prin • elementul i al anvelopei; • - Si reprezintă suprafaţa elementului i al anvelopei; • - ti reprezintă temperatura în interiorul locuinţei; • - te reprezintă temperatura exterioară. 9

10. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING Coeficientul global de transfer termic, se determină cu relaţii de tipul: unde: - αi este coeficientul global de convecţie între elementul de construcţie şi aerul din interiorul clădirii, iar pentru această mărime s-a considerat valoarea 8W/mpK, ceea ce corespunde convecţiei naturale; 10

11. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING • αe este coeficientul global de convecţie între elementul de construcţie şi aerul din exteriorul clădirii, iar pentru această mărime s-a considerat valoarea 25W/ mpK, ceea ce corespunde celor mai nefavorabile condiţiii; • δ [m] este grosimea fiecărui strat component al elementului “i” al anvelopei; • - λ [W/mK] este conductivitatea fiecărui material component al elementului “i” al anvelopei. 11

12. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING Sarcina sau puterea termică datorată ventilării sau aerisirii, poate fi calculată în functie de sarcina termică transmisă prin anvelopă, cu relaţia: unde ε, reprezintă un coeficient de proporţionalitate, ale cărui valori pot fi considerate: - ε = 0,7 pentru clădiri fără izolaţie termică; - ε = 0,8 pentru clădiri cu izolaţie minimă; - ε = 0,9 pentru clădiri cu izolaţie bună; - ε = 1 pentru clădiri cu izolaţie foarte performantă (case cu consum, energetic redus, sau case pasive); 12

13. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING Sarcina sau puterea termică pentru prepararea apei calde menajere, depinde de numărul de persoane care utilizează locuinţa: unde: - n este numărul de persoane; - ρ [kg/m3] este densitatea apei; - V [m3] este consumul zilnic normat de apă, pentru o persoană; - cp [kJ/kgK] este căldura specifică a apei; - twe [°C] este temperatura până la care trebuie încălzită apa; - twi [°C] este temperatura apei reci; - ζ[s] este durata perioadei în care este încălzită apa. 13

14. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING Model de locuinţă 14

15. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING Sarcina sau puterea termică poate fi parametrizată astfel: Q( Si, Δti, δi, λi, Ni, ε, n, V, Δt, ζ) unde notaţiile au următoarea semnificaţie: Si – i = 1....5 suprafaţa pereţilor exteriori, suprafaţa tavanului, suprafaţa ferestrelor, suprafaţa podelei, suprafaţa pivniţei; Δti – diferenţa de temperatură între mediul interior şi cel exterior; δi – grosimea straturilor din care sunt construiţi pereţi; λi – conductivitatea termică a materialelor din care sunt confecţionaţi pereţii; 15

16. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING Ni – numărul de straturi ale pereţilor; ε – coeficient de proporţionalitate care are în vedere sarcina termică pentru ventilarea aerului; n – numărul de persoane; V – volumul de apă menajeră necesar unei persoane într-o zi; Δt – variaţia de temeratură a apei menajere; ζ – timpul cât se pregăteşte apa menajeră. 16

17. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING Temă Să se realizeze o aplicaţie software pentru a calcula puterea termică necesară unei locuinţe care are următoarele caracteristici: a = 12m, b = 10m, h = 3m, d1 = 2m, e1 = 4m, d = 2m, e = 1,5m; structura de rezistenţă este realizată din: beton (1, 7, 8, 9), cărămidă (2, 10, 11, 12), BCA (3, 13, 14, 15), lemn de fag sau stejar (4, 16, 17, 18), lemn pin sau brad (5, 19, 20, 21), piatră (6, 22, 23) şi are grosimea de 20cm; 17

18. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING izolaţia pereţilor este realizată într-un strat utilizând materialele: poliuretan (1,... 6), polistiren expandat (7,..., 12), Vată minerală (13, ..., 18), Plută (19, ..., 23), grosimea stratului izolator 10cm; structura de rezistenţă a tavanului: beton (1, ... , 8) grosime 10cm, lemn fag (9 – 16) grosime 5cm, lemn brad (17, ..., 23) grosime 5cm; izolaţie tavan de grosime 5cm realizată din: Plută (1, ..., 6), vată minerală (7, ..., 12), polistiren expandat (13, ..., 18), poliuretan (19, ... , 23); 18

19. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING podeaua este realizată din beton cu grosimea 10cm şi un strat izolant poliuretan cu grosimea 5cm; peretele pivniţei este realizat din lemn de brad şi are grosimea 5cm. Diferenţa de temperatură interior – experior pereţi şi tavan 20°C (1, ..., 8), 25°C (9, ..., 16), 30° C (17, ..., 23); Diferenţa de temperatură interior – exterior podea 8°C (1, ..., 8), 12°C (9, ..., 16), 16°C (17, ..., 23); 19

20. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING Număr de persoane 4; Volum apă menajeră pe personă pe zi 20 litri: αi = 8W/mpK, αe = 25W/mpK. ε = 0,9 clădire cu izolaţie bună 20

21. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING ρ= 1000kg/m3 este densitatea apei; - V [m3] este consumul zilnic normat de apă, pentru o persoană; - cp = 4181 J/kgK este căldura specifică a apei; - twe = 45°C este temperatura până la care trebuie încălzită apa; 21

22. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING - twi = 15°C este temperatura apei reci; - ṫ [s] este durata perioadei în care este încălzită apa. Se va analiza cât este necesară să fie grosime izolaţiei pereţilor realizată din două straturi de grosime egală: polistiren – plută (1, ...,8), poliuretan – plută (9, ...,16), vată minerală – poliuretan realizată (17, ...,23) astfel ca să se reducă la jumătate puterea termică transmisă prin pereţii clădirii. 22

23. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING Presupunând că pereţii exteriori sunt realizaţi cu 3 straturii coeficientul global de transfer termic prin aceşti pereţi devine Presupunând că tavanul este realizat în 2 straturii coeficientul global de transfer termic prin tavan devine 23

24. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING Valori ale conductivităţii termice, pentru câteva materiale de construcţie uzuale Valori ale conductivităţii termice, pentru câteva materiale izolatoare uzuale 24

25. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING Valori ale coeficientului global de transfer termic, pentru câteva tipuri de ferestre * Datorită neetanşeităţilor, pentru aceste tipuri de ferestre, în practică valorile coeficientului global de transfer termic, sunt şi mai ridicate. 25

26. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING Coeficientul global de transfer termic prin ferestre este fereastră termopan cu trei sticle. Presupunând că podeaua este realizată în 3 straturii coeficientul global de transfer termic prin aceşti pereţi devine 26

27. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING Sarcina sau puterea termică datorată ventilării sau aerisirii, poate fi calculată în functie de sarcina termică transmisă prin anvelopă, cu relaţia: unde ε, reprezintă un coeficient de proporţionalitate, ale cărui valori pot fi considerate: - ε = 0,7 pentru clădiri fără izolaţie termică; - ε = 0,8 pentru clădiri cu izolaţie minimă; - ε = 0,9 pentru clădiri cu izolaţie bună; - ε = 1 pentru clădiri cu izolaţie foarte performantă (case cu consum, energetic redus, sau case pasive); 27

28. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING Sarcina sau puterea termică pentru prepararea apei calde menajere, depinde de numărul de persoane care utilizează locuinţa: unde: - n este numărul de persoane; - ρ [kg/m3] este densitatea apei; - V [m3] este consumul zilnic normat de apă, pentru o persoană; - cp [kJ/kgK] este căldura specifică a apei; - twe [°C] este temperatura până la care trebuie încălzită apa; - twi [°C] este temperatura apei reci; - [s] este durata perioadei în care este încălzită apa. 28

29. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING 1.3.3. Condiţii de testare Algoritmul de calcul prezentat, poate fi utilizat în condiţiile oricărei construcţii de locuinţăunifamilială, însă a fost testat pe o clădire pentru 4 persoane, având perimetrul de 58m şi următoarelecaracteristici: 29

30. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING 1.3.4. Programul de calcul Aplicaţia software care poate să asiste eficient utilizatorii, în activitatea de analiză termoenergetică a locuinţelor unifamiliale, respectiv în alegerea celor mai bune soluţii şi materiale pentru izolare termică, este disponibil pe internet, la adresa:http://vl.academicdirect.org/molecular_dynamics/heating_buildings/ Pentru realizarea aplicaţiei, au fost concepute şi realizate patru programe originale, implementate în limbajul PHP. Componenta form.php, prezentată în figura 1.32, permite utilizatorului, introducerea parametrilor, referitori la mediul ambiant şi la spaţiul interior, referitori la elementele constructive ale anvelopei clădirii, etc. 30

31. “POLITEHNICA” UNIVERSITY OF TIMIŞOARADEPARTMENT OF PHYSICAL FOUNDATION OF ENGINEERING Fig. 1.32. Interfaţa principală a programului 31