CAPITOLUL 4 Necesarul de Caldura Al Cladirilor - Sinteza Pt. Tiparit

  • Published on
    25-Jun-2015

  • View
    427

  • Download
    1

Transcript

CAPITOLUL 4CALCULUL NECESARULUI DE CLDUR PENTRU NCLZIREA CLDIRILORCalculul necesarului de cldur se efectueaz diferit, astfel: regim termic permanent, considernd parametrii staionari; regim termic variabil, considernd caracteristicile dinamice ale parametrilor de calcul. Necesarul de cldur n regim permanent, rezult dintr-un bilan termic care are n vedere urmtoarele aspecte : pierderile de cldur ale cldirii (pri din cldire); aporturile de cldur de la surse interioare; aporturile gratuite din radiaia solar; ntreruperea n funcionarea instalaiei de nclzire. Regim variabil i a cldirii: caracteristica dinamic a parametrilor aerului exteriorprocentul real de recuperare a aporturilor;influena ineriei termice n perioada de ntrerupere n furnizarea cldurii. Figura 4.1 Variaia temperaturiiexterioare pe intervalul de calcul4.1 Necesarul de cldur n regim permanentValori convenionale sau valori medii pe o anumit perioad de timp. Bilanul fluxurilor termice la nivelul unei cldiri n sezonul rece este dat de ecuaia urmtoare: QP + Qced + QS + QA = 0 sau GV(te ti) + Qced +QS + QA = 0 [W] (4.2) [W] (4.1)unde: QP pierderile de cldur ale cldirii, [W] Qced fluxul termic introdus n cldire de instalaia de nclzire, [W] QS fluxul termic gratuit de la radiaia solar, [W] QA fluxul termic gratuit de la sursele interioare, [W] G coeficientul de izolare termic a cldirii, [W/m3K] V volumul nclzit al cldirii, [m3]Pentru a menine la interior temperatura de confort tc constant, este nevoie de un flux termic Qced, furnizat de instalaia de nclzire: Qced = GV(tc te) (QS + QA) [W] (4.3)Pierderile de cldur n regim permanent Consumul energetic al unei cldiri se evalueaz prin flux termic pierdut: QP = GV(tc te) [W] (4.4)sau prin energie consumat ntr-un interval de timp :fE = GV (tc te ( )) + d0[Wh](4.5)In figura 4.1, temperatura exterioar nregistreaz fluctuaii semnificative n intervalul de timp 0f. Pentru calculul energiei termice consumate n regim permanent se adopt o valoare medie pe interval a temperaturii exterioare, astfel nct energia consumat este: E = GV (tc tem) Aporturi de cldur gratuite Prin aporturi de cldur de la surse gratuite se nelege fluxul termic provenit din radiaia solar QS, care ptrunde n ncperi i contribuie la nclzirea direct sau indirect a aerului interior i a elementelor masive i aporturi de la surse interioare QA. n categoria aporturilor interioare intr: cldura metabolic a ocupanilor, apreciat la cca. 40 100W/loc; iluminatul artificial, 30 100W/lamp; aparate electrice permanente(electocasnice) cca. 300W; aparate temporare, 100 1000W; etc. [Wh] (4.6)Aportul de la sursele interioare comune, este de cca. 4,17 W/m2 suprafa util. Aporturilor gratuite variabile n timp i spaiu; greu de anticipat n faza de proiectare; dificil de evaluat pentru consumurile energetice.:- dac aporturile sunt egale cu pierderile de cldur QP = QS + QA, rezult din ecuaia 4.3 c nu este nevoie de un flux termic cedat de instalaia de nclzire, Qced = 0, iar temperatura interioar este egal cu temperatura de confort:ti = tc = te +QS + Q A GV[oC](4.7)- dac aporturile sunt mai mari dect Figura 4.2 Distribuia favorabil a pierderile de aporturilor gratuite cldur, 1-variaia te; 2-variaia aporturi; temperatura 3-variaia ti; a consum de energie interioar depete temperatura de confort i apare senzaia de supranclzire:ti = t e + QS + Q A > tc GV[oC](4.8)Analiznd variaia temperaturii interioare n funcie de variaia temperaturii exterioare i a aporturilor gratuite, se constat :a) distribuia favorabil a aporturilor, astfel nct temperatura interioar nu depete temperatura de confort tc, aa cum se arat n figura 4.2:te +QS + Q A < tc GV[oC](4.9)Consumul de cldur este n acest caz, integrala zonei a:Q + Q A Ec = GV tc te + S d GV +[Wh](4.10)Dac se consider c aporturile gratuite sunt integral utilizate, consumul de cldur n intervalul , se poate calcula n funcie de temperatura medie exterioar, astfel: Ec = GV (tc tem) (QS + QA) b) distribuia nefavorabil a aporturilor gratuite, aa cum se vede n figura 4.3, zona b. n aceast situaie numai o parte din aporturile gratuite este recuperat, iar energia consumat va fi: Ec = GV (tc tem) a(QS + (4.12) QA) [Wh] a gradul de recuperare a aporturilor, 01 Figura 4.3. Distribuia nefavorabil aaporturilor gratuite 1-variaia te; 2- variaia aporturi; 3-variaia ti, a-consum de energie; b-zon de supranclzire[Wh](4.11)Furnizarea continu a cldurii Pentru cldirile de locuit, alimentarea cu cldur se consider continu n regim staionar. Conform ecuaiei 4.3, necesarul de cldur n regim staionar este: Q = GV(ti te) (QS + QA) [W]Aceast relaie poate fi scris sub forma ecuaiei unei drepte, astfel: Q = a te + b unde: a = -GV b = GVti (QS + QA) [W/K] [W] (4.13) (4.14)Reprezentarea grafic a acestei drepte indic caracteristica de consum, numit uneori n literatura de specialitate amprent energetic sau semntur energetic a cldirii. Una din valorile de referin a amprentei energetice, este reprezentat de necesarul de cldur de baz Qo, calculat pentru temperatura exterioar convenional a zonei geografice de amplasare a cldirii. nceputul i sfritul perioadei de nclzire corespunde unei temperaturi exterioare caracteristice, numit temperatur de echilibru, definit corespunztor ecuaiei 5.5 din capitolul 5. Amprenta energetic poate fi utilizat ca o metod de investigare a consumurilor de cldur ale unei cldiri considerat n situaii diferite, i anume: - cldire proiectat; - cldire real n exploatare; - cldire reabilitat termic. Celor trei cazuri le corespund trei curbe caracteristice diferite (amprente energetice), trasate n figura 4.4, astfel:conform datelor de proiectare se traseaz caracteristica 1; utiliznd valorile obinute prin expertiza energetic a cldirii reale, se reprezinta dreapta 2; n urma lucrrilor de reabilitare i modernizare a cldirii i a instalaiilor termice, amprenta energetic se modific i va fi reprezentat de o dreapt avnd alura 3.30000 Necesar de caldura Q [ W ] 25000 20000 caz 1 15000 10000 5000 0 -21 -18 -15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 9 12 15 Temperatura Te [ C ] caz 2 caz 3Figura 4.4. Modificarea amprentei energetice a unei cldiriPuterea termic instalat a sursei de alimentare cu cldur este n aceast situaie: PN =Q01 + Q jT[kW](4.15)unde:Qj puterea termic necesar altor consumatori [kW] T - randamentul total al instalaiei ( surs-transport-consumator) T= stc Amprenta energetic dup modernizare demonstreaz importana sursei de cldur n reducerea consumurilor energetice. Msurile de izolare termic reduc necesarul de cldur i n aceste condiii trebuie verificat raportul dintre puterea termic instalat i necesarul real de energie al cldirii. O supradimensionare a instalaiei de nclzire va avea ca efect o eficien slab a exploatrii i ca urmare, consumuri de combustibil suplimentare nejustificate. Pentru a evalua performana sistemului pe ntreaga perioad de nclzire, nu este suficient calculul randamentului, fiind necesar introducerea noiunii de randament sezonier, s. Aceast mrime se definete n funcie de gradul de utilizare a sursei de caldur, . Acesta reprezint raportul ntre energia termic util Ec pe perioada de nclzire i energia disponibil la nivelul sursei de cldur:=Ec PN nT(4.16)Conform relaiei Dittrich, randamentul sezonier se poate calcula n funcie de numrul de ore de funcionare a sursei de cldur, astfel:un 1 + c p ( T 1) nFs =(4.17)unde: u randamentul util al sursei de cldur cp - coeficient de pierderi la surs nT numr total de ore a perioadei de nclzire nF numr de ore de funcionare a arztoruluiExprimat n funcie de puterea termic nominal (PN) i energia termic consumat (Ec) pe perioada sezonului rece, randamentul sezonier la surs devine: s = ucp + 1 P n cp N T + 1 Ec(4.18)Din relaia (4.18), se constat c randamentul este cu att mai redus cu ct raportulPN nT este mai mare, adic cu ct puterea termic instalat este mai Ecmare n raport cu necesarul real de energie termic i cu ct perioada sezonului rece estimat este mai lung. Aceste concluzii teoretice vor fi confirmate prin auditul energetic al cldirii, cnd valorile nregistrate prin msurtori sau facturate, se vor abate semnificativ de la caracteristica semnturii energetice a cldirii proiectate.Furnizarea cu intermiten a clduriiPentru cldirile publice i din sectorul teriar, calculul necesarului de cldur ine seama de perioadele de intermiten n alimentarea cu cldur i reducerea temperaturii interioare pn la o valoare de gard.Figura 4.5 Variaia temperaturii interioare i a puteriiinstalate la nclzirea cu intermitenn figura 4.5, este reprezentat variaia temperaturii interioare i variaia puterii termice instalate ntr-o cldire cu regim de ocupare discontinuu, avnd o temperatur de confort de zi tcz i o temperatur de regim de noapte tcn. Lund n calcul aporturile gratuite se pot stabili temperaturile interioare astfel: - temperatura de confort ziua, tcz:tcz = teo + QS + Q A P0 + GV GV[oC](4.19)unde: teo temperatura exterioar de calcul, [oC] P0 puterea termic instalat n condiii de calcul, [W] - temperatura de regim noaptea, tcn:tcn = teo + QA P + 1 GV GV[oC](4.20)unde: P1 puterea termic redus instalat, [W] - temperatura redus noaptea, se stabilete la ntreruperea funcionrii instalaiei de nclzire, trn:trn = teo + QA GV[oC](4.21)- temperatura de supranclzire ziua, tsz:tsz = teo + QS + Q A PM + GV GV[oC](4.22)unde: PM puterea maxim instalat, [W]Exploatarea cu intermiten a instalaiilor de nclzire atrage dup sine supradimensionarea sursei de cldur. Puterea termic instalat PM difer fa de P0 prin suprasarcina P, astfel nct: PM = P0 + P PM = CSP0 CS = 1 + P/P0 sau unde: (4.23) reprezint coeficientul de suprasarcin.Valoarea suprasarcinii poate fi diminuat dac se au n vedere urmtoarele aspecte n perioada reducerii alimentrii cu cldur: - ineria termic a cldirii, care face ca temperatura interioar s nu urmeze scderea temperaturii exterioare; - reducerea intermitenei n perioadele cu temperaturi exterioare foarte sczute, pentru a nu decompensa termic structura cldirii; - reducerea pierderilor de cldur n perioada intermitenei Qcn, spre exemplu prin reducerea numrului de schimburi de aer; - utilizarea aporturilor interne, care compenseaz o parte din pierderile de cldur ale cldirii; - diminuarea confortului termic interior prin reducerea temperaturii interioare(tcn), pentru a reduce pierderile de cldur prin transmisie. Pentru a studia relaia dintre ineria termic a cldirii, intermiten i puterea termic a sursei de cldur trebuie construit un model de comportament dinamic completat de o baz de date climatice. Studiile teoretice i experimentale au demonstrat c n cazul nclzirii directe coeficientul de suprasarcin CS poate fi exprimat dup cum urmeaz:CS = b b 1 (4.24)unde:=t cz t eo t cn t eo(4.25) = e d / Cd durata de revenire la temperatura tcz, d=2 C - constanta de timp a cldirii, [h](4.26)Constanta de timp C se poate stabili printr-o metod aproximativ care ine seama de clasa de inerie a cldirii, astfel: Tabel 4.1 Valoarea constantei de timp n funcie de tipul cldirii Clasa de inerie Mare Mijlocie Mic Foarte mic [kg/m2] 400 150 400 100 150 100 C [h] 70 30 70 15 30 < 15Factorul , influeneaz coeficientul de suprasarcin prin modul n care se pot gestiona economic pierderile de cldur ale cldirii n perioada de ntrerupere a furnizrii cldurii. Cu ct pierderile vor fi mai mici cu att factorul va fi mai mic i coeficientul CS mai sczut. =Qcn Qp(4.27)Qcn pierderile de cldur reduse ale cldirii n perioada intermitenei, [W]; Qp pierderile de cldur calculate pentru valorile convenionale, [W] b factor de rspuns al cldirii sau a unei zone, este o mrime care caracterizeaz viteza de cretere a temperaturii interioare la repunerea n funciune a instalaiei de nclzire. Aceast valoare se stabilete prin analiza unor modele detaliate. Pentru aplicaiile practice se accept ca valoare de calcul: b = 0,75. Se constat din relaia 4.24 c se poate reduce coeficientul de suprasarcin dac se reduc pierderile de cldur n perioada de intermiten, adic se reduc schimburile de aer, se nchid obloanele, se transform zonele adiacente spaiilor nclzite n zone tampon, se reduce debitul de aer ventilat unde este cazul, etc.4.2 Necesarul de cldur n regim variabil n acest caz, consumul de energie pe o anumit perioad se poate calcula cu o ecuaie similar cu 4.10, dar n care intervine gradul de recuperare a aporturilor, variaia temperaturii exterioare i variaia temperaturii interioare n funcie de constanta de timp.Q + Q A Ec = GV ti ( ) te ( ) + a S d GV +[Wh](4.28)Ecuaia de bilan termic n regim nestaionar care descrie variaia temperaturii interioare n funcie de temperatura exterioar, ntr-o ncpere fr surse de cldur este o ecuaie diferenial de ordinul nti:GV (t te )d = C M dt d d(4.29)a crei soluie este de forma: GV t = te + (ti te )exp C M (4.30)unde raportul:C = CM poart numele de constant de timp a cldirii, [h]. GV

Recommended

View more >