Energetica cladirilor - Calculul necesarului de caldura pentru incalzire si preparare apa calda in cazul unei constructii unifamiliale prevazuta cu o centrala pe biomasa

Energetica cladirilor

Proiect

Tema proiectului: Calculul necesarului de caldura pentru incalzire si preparare apa calda in cazul unei constructii unifamiliale prevazuta cu o centrala pe biomasa

Cuprins

Importanta folosirii surselor de energie regenerabila

Biomasa - ca sursa de energie regenerabila

Amplasamentul, dimensiunile si regimul termic al constructiei

Determinarea necesarului de caldura pentru incalzirea locuintei

Influenta izolatiei termice asupra pierderilor de caldura prin pereti

Calculul necesarului de caldura pentru obtinerea apei calde menajere

Solutii termice de incalzire utilizand biomasa

SARCINA PROIECTULUI

Sa se proiecteze sistemul de incalzire si alimentare cu apa calda menajera pentru o constructie unifamiliala, la care, ca sistem de producere a caldurii, este utilizata o centrala pe biomasa.

In constructia data locuiesc patru persoane. Casa are doua nivele.

Sectiune 1.01   VILA TIP A

Suprafata construita m²

Suprafata desfasurata m²

Suprafata Parter 88.00 m²

Suprafata Etaj 84.00 m²

Suprafata utila 138.00 m²

Sectiune 1.02   FINISAJE EXTERIOARE

• Invelitoare din tigle ceramice. (tabla zincata pentru vilele A si B, acoperite in terasa)
• Tamplarie exterioara din PVC cu geam termopan
• Termosistem fatada (5 cm polistiren expandat, masa de spaclu armata cu plasa din fibra de sticla, tencuiala decorativa driscuita)
• Tencuiala decorativa pentru soclu.
• Gresie ceramica de exterior (antiderapanta) pentru terasele exterioare.
• Jgheaburi si burlane din tabla vopsita in camp electrostatic.

Sectiune 1.03   FINISAJE INTERIOARE

• Tencuieli pereti si plafoane, placari gips carton, vopsitorii semilavabile
• Bai: gresie si faianta , obiecte sanitare
• Bucatarie: gresie, faianta front de lucru.
• Pardoseli: parchet stejar in living room, dormitoare si holuri.

3. AMPLASAMENTUL, DIMENSIUNILE SI REGIMUL TERMIC AL CONSTRUCTIEI

3.1. Amplasarea si dimensiunile locuintei

Amplasarea locuintei se stabileste astfel incat sa existe o dispunere optima a incaperilor.

Dimensiunile camerelor sunt prezentate in tabelul 1:

Tabelul 1. Dimensiunile de proiectare ale locuintei

Pentru asigurarea calitatii confortului termic, al calitatii mediului inconjurator cat si al costurilor energetice minime, in constructia de locuinte trebuie avut in vedere in primul rand calitatea materialelor folosite pentru structura de rezistenta, izolatia termica cat si tipul de geam utilizat.

Peretii din anvelopa cladirii vor avea grosimea de 250 mm si vor fi construiti din caramida de constructii cu goluri verticale pentru zidarii exterioare. Peretii despartitori vor avea grosimea de 150 mm si vor fi construiti din caramida de constructie pentru pereti despartitori.

Figura 1. Caramida utilizata la constructia locuintei : a. pentru pereti exteriori, b. pentru pereti interiori

Dimensiunile acestor caramizi sunt 365*240*188 mm pentru cea folosita la zidul exterior si 290*140*88 mm pentru cea utilizata la zidul despartitor.

Caracteristicile caramizilor folosite sunt date in tabelul 2 :

Tabelul 2. Caracteristicile caramizilor utilizate

Pentru reducerea pierderilor de caldura se foloseste o izolatie termica de calitate superioara a carei natura si dimensiuni se vor studia.

Izolatia termica influenteaza conductivitatea, curentul si efectul de radiatie termica prin:
- realizarea unei bariere termice impotriva propagarii caldurii prin conductivitate;
- diminuarea miscarii aerului si deci reducerea transmiterii caldurii prin convectie;
- limitarea efectelor radiatiei termice;

Uzual, pentru izolarea termica a cladirilor se foloseste polistirenul, care poate fi extrudat sau expandat si vata minerala. Polistirenul extrudat se utilizeaza in special la realizarea asa numitelor panouri sandwich folosite in general la constructia halelor industriale, a depozitelor frigorifice sau spatiilor comerciale. Vata minerala si polistirenul expandat sunt asemanatoare din punct de vedere al proprietatilor si a usurintei in utilizare.

Izolatia termica va fi amplasata la exteriorul incintei incalzite, eliminand astfel pierderile de spatiu locativ. Un alt avantaj al montarii izolatiei termice pe partea exterioara a peretelui este mentinerea temperaturii peretilor la o valoare superioara punctului de inghet, prevenind astfel inghetul anumitor posibile urme de apa care ar putea patrunde in pereti datorita diferentelor de umiditate dintre aerul din incinta si cel de afara.

Datorita avantajelor pe care le prezinta izolatia termica exterioara, se recomanda utilizarea acesteia, in detrimentul celei interioare, de cate ori este posibil. In general, pentru apartamente este mai complicata, din anumite considerente, montarea unor izolatii exterioare avand o grosime mai mare de 2-3 cm, de aceea, se pot folosi izolatii termice interioare, dar numai in combinatie cu cele exterioare, pentru evitarea scaderii temperaturii peretilor sub cea de inghet a apei.

Figura 2. Izolatii termice folosite in constructia locuintelor: a. vata minerala, bazaltica, b. polistiren extrudat, c. polistiren expandat, d. mod de realizare al montajului pentru polistiren expandat

Parametrii climatici interiori si exteriori de calcul

Constructia este amplasata in localitatea Bacau. Pozitia geografica a Bacaului este de 46,78^o latitudine N si 26,55^o longitudine E, care il situeaza in zona climatica II si zona eoliana III, conform tabelelor 3 si 4. Altitudinea Bacaului este 165 m. Calculele efectuate pentru dimensionarea instalatiei termice vor fi efectuate pentru o perioada de incalzire recomandata de 186 zile.

Parametrii climatici interiori sunt stabiliti de diferite norme si standarde (STAS 1907/1-3/80; STAS 6648/1,2/82; STAS 11573/83), luand in considerare necesitatea de a asigura, in conditii economice, confortul termic corespunzator. Acesti parametri, sunt in functie de anotimp, de destinatia cladirii si a incaperii, de activitatea ce se desfasoara in interior.

Temperatura interioara (conventionala) de calcul este acea valoare a temperaturii interioare care conduce la realizarea confortului termic. Senzatia de confort termic este influentata de:

natura activitatii desfasurate in incinta respectiva (de intensitatea activitatii depuse);

de temperatura senzoriala. In cazul cel mai simplu, aceasta temperatura este practic egala cu media aritmetica a temperaturii interioare si temperaturii medii radiante a elementelor de constructie.

Conform celui de al doilea aspect, realizarea unei anumite temperaturi interioare conduce la realizarea confortului termic numai daca este corelata cu temperatura medie radianta a elementelor de constructie. Valoarea temperaturii medii radiante a elementelor de constructie este dependenta de valoarea rezistentei termice a diverselor elemente de constructie care marginesc incinta, respectiv de solutia constructiva a incintei.

In Romania, standardul SR 1907 - 2/1997 defineste temperatura interioara (conventionala) de calcul drept acea valoare a temperaturii aerului interior care asigura confortul termic intr-o incinta cu anumita destinatie, realizata cu pereti exteriori cu o rezistenta termica medie (pereti exteriori realizati din caramida arsa din argila cu grosimea de 11/2 caramizi). In standardul SR 1907 - 1/1997 sunt indicate modul de calcul si valorile coeficientului de corectie datorat abaterii solutiei constructive reale de la solutia tip considerata, coeficient denumit adaos pentru compensarea temperaturii suprafetelor reci.

Temperatura exterioara de calcul sau temperatura exterioara minima conventionala este temperatura exterioara minima la care instalatiile de incalzire mai pot asigura conditiile interioare de confort termic, respectiv este temperatura exterioara pentru care se proiecteaza (dimensioneaza) instalatiile de incalzire.

Tinand cont de importanta evitarii oricarei supradimensionari a instalatiilor de incalzire, in toate tarile exista preocupari legate de stabilirea corecta a valorii temperaturii exterioare de calcul, valori standardizate.

Temperaturile exterioare de calcul stabilite prin metodele incadrate in cea de a doua categorie vor fi caracteristice pentru:

o anumita zona climatica, prin intermediul frecventei statistice a celor mai scazute valori ale temperaturii aerului exterior, intalnite intr-un anumit numar de ani (de regula peste 30), si a probabilitatii duratei de aparitie a temperaturilor medii zilnice cele mai coborate;

pentru o anumita solutie de realizare constructiva a incintei, prin intermediul efectului inertiei termice.

Standardul romanesc SR 1907 - 1/1997 indica valori ale temperaturii exterioare de calcul stabilite printr-o metodologie care se incadreaza in cea de a doua categorie, ele corespunzand la patru zone climatice si realizarii cladirilor cu pereti exteriori construiti din caramida arsa din argila cu grosimea de 1 1/2 caramizi. Pentru incinte avand alte solutii constructive decat solutia tip, diferentierea temperaturilor se face cu ajutorul a doi coeficienti:

unul care tine cont de efectul inertiei termice a elementelor de constructie exterioare - pereti, ferestre, usi;

altul care tine cont de efectul inertiei termice a elementelor de constructie interioare care compartimenteaza cladirea.

Tabelul 3. Temperaturile conventionale t_e ale aerului exterior pentru principalele localitati din Romania

Tabelul 4.

In figura 3 este prezentata harta climatica a Romaniei, iar in tabelul 5 sunt trecute temperaturile interioare de calcul prevazute pentru diferite destinatii ale incaperilor.

Tabelul 5. Temperaturi interioare de calcul (DIN 4701)

La efectuarea calculelor nu se va tine cont de variatia diurna a temperaturii exterioare care nu influenteaza calculul de dimensionare a instalatiei termice pentru incalzire, deoarece acesta va fi efectuat pentru situatia cea mai dificila care poate aparea in functionarea instalatiei, astfel calculul se va efectua folosind temperatura conventionala de calcul, recomandata, care are valoarea de -18^oC pentru Bacau si care reprezinta valoarea medie multianuala a temperaturilor scazute inregistrate in zona.

La nivelul tarii noastre, cele mai scazute valori ale temperaturii exterioare se inregistreaza in luna ianuarie. In timpul unei zile cea mai scazuta valoare a temperaturii se inregistreaza dimineata, inainte de a rasari soarele. Deci, calculele se vor efectua presupunand ca afara este noapte. In acest caz, influenta radiatiei solare nu va interveni in efectuarea calculelor, deoarece soarele are o actiune care vine in ajutorul procesului de incalzire, ca si aportul de caldura datorat functionarii aparatelor electrice, care vor fi considerate oprite pe timpul noptii.

In cladire locuiesc patru persoane, care aduc un aport de caldura, care influenteaza calculele efectuate pentru dimensionarea instalatiei termice, in sensul diminuarii necesarului de caldura.

Figura 3. Harta climatica a Romaniei

DETERMINAREA NECESARULUI DE CALDURA PENTRU INCALZIREA LOCUINTEI

4.1. Principiul metodei de calcul a necesarului de caldura

Calculul necesarului de caldura se realizeaza in urmatoarele ipoteze:

temperaturi egal distribuite (temperatura aerului si temperatura de proiectare);

pierderile de caldura sunt calculate pentru conditii statice si parametrii constanti;

inaltimea camerei nu va depasi 5 m;

incaperile sunt incalzite la temperatura necesara;

temperatura aerului interior si temperatura operativa sunt egale.

Calculul necesarului de caldura pleaca de la calculul pierderilor de caldura.

4.2. Necesarul de caldura pentru incalzire

Instalatiile din cladiri trebuie sa asigure in perioada rece a anului necesarul de caldura pentru incalzire, ventilare si preparat apa calda de consum.

Metoda de calcul este reglementata prin STAS 1907 potrivit careia necesarul de caldura pentru incalzire Q_h se determina cu relatia:

[W] (4.1)

unde:

- Q_t - pierderile de caldura prin elementele de constructie in W;

- Q_i - necesarul de caldura pentru incalzirea aerului rece infiltrat din exterior in W;

- suma adaosurilor pentru compensarea efectului suprafetelor reci si pentru orientare in %;

4.2.1.Pierderile de caldura prin transmisie

Aceste pierderi au loc atat prin elementele de constructie in contact cu aerul pe ambele fete Q_e cat si prin elementele de constructie in contact cu pamantul Q_p .

[W] (4.2)

Pierderile de caldura prin elementele de caldura in contact cu aerul pe ambele fete:

[W] (4.3)

in care :

m - coeficient de masivitate termica ;

S - suprafata elementului de constructie ;

ΔT= T_i-T_e [^oC] - diferenta intre temperatura aerului interior si temperatura aerului din camerele invecinate sau a aerului exterior.

-R_o - rezistenta termica totala la transferul de caldura a elementului de constructie in m^2oC/W.

Coeficientul de masivitate m este dependent de indicele de inertie termica D al elementului de constructie, putandu-se calcula cu relatia:

m = 1.225 - 0.05D (4.4)

Tabelul 6. Valorile coeficientului de masivitate termica m

Pentru elementele de constructie fara inertie termica D 1 (usi, ferestre), coeficientul de masivitate are valoarea cea mai mare m = 1,2 iar pentru elemente de constructie interioare (plansee, pereti interiori), acesta capata valoarea m = 1.

Coeficientul D se poate calcula cu relatia:

(4.5)

unde:

R - rezistenta termica a elementului de constructie, S₂₄ - coeficient de asimilare termica;

Temperatura aerului interior este stabilita in STAS pentru incaperile mai des intalnite. Temperatura aerului exterior conventionala de calcul pentru principalele localitati este data in functie de zona climatica pentru fiecare localitate.

4.2.2.Adaosurile la pierderile de caldura

La pierderile de caldura prin transmisie, calculate pentru fiecare incapere in parte, se adauga adaosuri procentuale pentru orientare A si compensarea efectului suprafetelor reci A_c .

Adaosul pentru orientare

Acest adaos se aplica in scopul diferentierii pierderilor de caldura ale incaperilor diferit expuse radiatiei solare, o singura data pentru peretele cu orientarea cea mai defavorabila si este dat in tabelul 7:,

Tabel 7. Adaos pentru orientare

Adaosul pentru compensarea efectelor suprafetelor reci

Acest adaos se aplica pentru imbunatatirea confortului termic in incaperile constructiilor civile. Valorile acestui adaos se aleg din nomograma din figura 4 in functie de rezistenta totala medie a incaperii.

[ m^2oC/W] (4.6)

unde :

- S_t - suprafata totala a incaperii (pereti interiori, exteriori, planseu, pardoseala)

- T_e - temperatura exterioara conventionala de calcul;

- Q_t - pierderile de caldura prin transmisie ale incaperii;

Figura 4. Adaosul pentru compensarea efectelor suprafetelor reci

Exceptii:

Adaosul de compensare nu se acorda urmatoarelor incaperi :

-In care oamenii poarta imbracaminte de strada;

-Incaperilor incalzite prin radiatie;

-Incaperilor in care oamenii desfasoara o munca medie sau grea;

Adaosul de compensare se poate calcula cu relatia:

(4.7)

4.2.3.Necesarul de caldura pentru incalzirea aerului rece patruns in incapere

Debitul de caldura Q_i necesar pentru incalzirea aerului exterior patruns in incapere rezulta din insumarea necesarului de caldura pentru incalzirea aerului infiltrat prin neetanseitatile ferestrelor si usilor Q_f si debitul de caldura Q_u necesar incalzirii aerului patruns prin deschiderea usilor.

Q_i = Q_f +Q_u [W] (4.8)

Debitul de caldura Q_f pentru incalzirea aerului rece infiltrat prin rosturile elementelor mobile se determina cu relatia:

, (4.9)

in care:

E - factor de corectie depinde de numarul de nivele ale cladirii, tipul cladirii; pentru cladiri civile cu mai putin de 12 nivele E = 1;

- lungimea rosturilor elementelor deschizibile exterioare.

Cazuri:

• In cazul in care elementele deschizibile se afla pe acelasi perete lungimea este egala cu suma lungimilor rosturilor de pe acelasi perete.
• Daca acestea se afla pe doi pereti alaturati atunci lungimea este egala cu suma lungimilor rosturilor.
• Daca se afla pe trei pereti exteriori atunci se ia in calcul maximul dintre suma lungimilor a doua rosturi aflate pe,pereti alaturati.
• Altfel daca se afla pe doi pereti opusi lungimea este egala cu maximul dintre suma lungimilor rosturilor de pe un perete.

i - coeficient de infiltratie depinzand de tipul cladirii precum si de materialul din care sunt confectionate usile;

v - viteza vantului de calcul se alege in functie de zona eoliana (din tabelul 4).

Debitul de caldura U Q pentru incalzirea aerului rece patruns in incapere se determina cu relatia:

Q_u =0,31 S_u n(T_i-T_e), (4.10)

in care: S_u - suprafata usii cu frecventa cea mai mare de deschidere,iar n reprezinta frecventa de deschidere a usii

4.3.Calculul necesarului de caldura Qt

Suprafata de calcul a elementelor de constructie se determina astfel:

pentru pereti: - produsul dintre lungimea L sau latimea l a incaperii masurata in interior si inaltimea h (distanta dintre cele 2 pardoseli finite, consecutive);

pentru usi si ferestre: - produsul dintre latimea a si inaltimea b a golului de zidarie;

pentru plansee si pardoseala:

Calculul se face conform STAS 1907 pentru fiecare camera in parte. Datele se trec intr-un tabel de forma:

In coloana nr 1 se va trece denumirea elementului de inchidere caruia i se face calculul pierderilor de caldura:

PE - perete exterior

PI - perete interior

UI - usa interioara

UE - usa exterioara

PIE - planseu intre etaje

PPS - pardoseala peste subsol

PSS - plafon sub sarpanta

In coloana nr. 2 se trece orientarea dupa punctele cardinale a elementului respectiv ( N, NE, E, SE, S, SV, V, NV)

In coloana nr. 3 se trece latimea elementului de inchidere

In coloana nr. 4 se trece inaltimea elementului de inchidere

In coloana nr. 5 se trece suprafata elementului de inchidere si se calculeaza col. 3 x col. 4

In coloana nr.6 se trece numarul de elemente de inchidere identice

In coloana nr. 7 se trece suprafata care se scade din calculul acelui element de inchidere ( ex ferestrele si usile dintr-un perete )

In coloana nr. 8 se trece suprafata de calcul = col.5 x col.6 - col.7

In coloana nr. 9 se trece R acelui element calculat la etapa nr.2

In coloana nr. 10 se trece m ( coef. De masivitate ) calculat la etapa nr.2 ( pentru elementele de inchidere interioare tot timpul m=1)

In coloana nr. 11 se trece diferenta de temperatura ale celor 2 medii pe care le delimiteaza acel element de constructie.

In coloana nr.12 se trece Cm conform STAS 1907

In coloana nr.13 se trece calculul pierderilor de caldura prin elementul respectiv calculat astfel: col.10 x col.8 x col.11 x col.12/ col.9

Dupa ce se trec in tabel toate elementele delimitatoare dintr-o camera se face suma tuturor pierderilor de caldura pe coloana nr. 13 si astfel se determina Qt al acelei camere.

Inainte de a se trece datele in tabel se calculeaza Rm ( rezistenta termica medie a camerei ) = Σscalcul( col.8) x Dt ( col.11)/Qt ( Σcol,13)

In col. 14 se trece Ac din graficul din STAS 1907 in functie de Rm

In col.15 se trece Ao functie de orientare conform STAS 1907

5 - pt. N, NE, NV

0 - pt. E, V

-5 - pt. S, SE, SV

Se trece valoarea maxima de pe elementelor de inchidere exterioare, iar in cazul in care se gasesc elemente de inchidere exterioare cu valoarea 5 respectiv -5 atunci A0 = 0.

In coloana 16 se trece coeficientul A calculat astfel 1 +

In colana 17 se face calculul Qt x A ( Σcol.13 x col.16)

In coloana 18 se trece L care reprezinta lungimea totala a rosturilor ferestrelor si usilor exterioare din acea camera

In coloana nr. 19 se trece valoarea lui i din STAS 1907 functie de tipul ferestrelor si usilor exterioare.

In coloana nr.20 se trece valoarea vitezei medie a vantului la puterea 4/3 din zona respectiva vezi STAS 1907

In coloana nr.23 se trece valoarea lui Ns din STAS 1907

In coloana nr.24 se face calcului Qi1

In coloana nr.25 se face calculul Qi2

In coloana nr. 26 se trece Qi = max ( col22, 23 )

In coloana nr.27 se trece Q = col.24 + col.17

In coloana nr.28 se trece Q/V = col.25/ col.

4.4.Determinarea rezistentei termice a elementelor de constructii

Rezistenta termica se calculeaza cu relatia:

, [m^2oC/W] (4.11)

unde:

- rezistenta la transfer termic superficial prin suprafata interioara;

- rezistenta la permeabilitatea termica a stratului omogen de grosime δ si conductivitate λ;

- rezistenta la transfer termic superficial prin suprafata exterioara.

Valorile coeficientului de corectie b se iau din tabelul 8.

Tabelul 8. Valorile coeficientului b