CLIMATIZAREA UNEI CASE PASIVE CU FUNCTIUNE MIXTA

CLIMATIZAREA UNEI CASE PASIVE CU FUNCTIUNE MIXTA D. HERA (a), L. DRUGHEAN (b), A. ILIE (c), R. CRUTESCU (d) Universitatea Tehnica de Cnstructii Bucuresti 66, Pache Prtppescu Bd. Bucharest 2, Zip cde: 021414, Rmania, Fax: 004021 2526880 ; AMVIC SA, e-mail: (a) : drags@instal.utcb.r ; (b) : ldrughean@gmail.cm; (c) : anica_59@yah.cm; (d) : amvic : ruxandra.crutescu@amvic-priect.r Abstract In this paper ur team present the designing activity fr achieving in a building the living cmfrt during the whle year. The building has grund flr (G) and 4 flrs (1 t 4). The ttal surface f the building is abut 200 sqm and the flrs have different destinatins. Frm the grund t the third flr there are fficies rganize like pen spaces and at the last flr there are seven flats. This type f building has an energetic cnsumptin cmparable t the passive huse. In cnsequence, the interir plants were designed using equipments like heat pumps, regenerative heat exchangers (first heat exchanger is between earth and the intake air and the secnd ne is between the intake air and the uttake air), slar panels and ther equipment with lw energy cnsumptins (fans, pumps, etc). The prject is already in an executin phase. 1. Intrducere Parlamentul Eurpean cautǎ susţinere imprtantǎ din partea Cmunitǎţii Eurpene pentru prtecţia mediului incnjurǎtr şi îmbunǎtǎţirea prtecţiei cnsumatrilr de energie. Îmbunǎtǎţirea eficienţei energiei şi utilizarea energiilr regenerabile sunt cmpnete cheie, parte a acestei strategii. In acest sens, Directiva Eurpeană privind Perfrmanţa Energetică a Clădirilr, elabrată de Parlamentul Eurpean şi Cnsiliul Uniunii Eurpene (DIRECTIVA 2002/91/CE din 16 decembrie 2002) - pe care Statele Membre trebuie să încrpreze în legislaţiile naţinale până în anul 2006 va urmări ca standardele din întreaga Eurpă să pună un mare accent pe minimizarea cnsumului de energie. Aceste măsuri referitare de fapt la tţi cnsumatrii de energie - reprezintă cmpnentă vitală a strategiei pentru îndeplinirea angajamentelr luate în cadrul Prtclului de la Kyt. In prezent, in Rmania sunt in vigare nrmative ce stabilesc un nivel minim al pierderilr de energie si bligativitatea calcularii ceficientului de transfer termic pentru rice cladire nua. De asemenea, legea privind perfrmanta energetica a cladirilr, legea nr. 72/2005 prmveaza cresterea perfrmantei energetice a cladirilr, tinindu-se cnt de cnditiile climatice exteriare si de amplasament, de cerintele de temperatura interiara si de eficienta ecnmica. Alaturi de masuri privind reducerea cnsumurilr de energie primara la prducerea energiei termice sau electrice este necesara si reducerea cnsumurilr si a pierderilr de energie termica a lcuintelr catre mediu incnjuratr. Reducerea necesarului de energie primarǎ pentru spaţiului de încǎlzit şi cndiţinare a aerului pate fi realizata prin: îmbunǎtǎţirea cnstrucţiei de lcuinţe; îmbunǎtǎţirea sistemului de încǎlzire/racire; îmbunǎtǎţirea cntrlul climatului interir. 1

Standard - Casa pasiva: casa pasiva este casa fara sisteme clasice de incalzire si racire, la care cheltuielile pentru intretinere sunt reduse cu cca. 80% fata de sistemele clasice, necesarul de energie anuala fiind sub 15 kw/mp/an. La priectarea a unei case pasive se va avea in vedere atingerea unui anumit grad de cnfrt si se vr respecta urmatarele criterii: ceficient de transfer termic pentru elementele verticale exteriare intre 0,1-0,15 W/mp*K; tamplarie si vitraj termizlant cu ceficient de transfer termic mai mic de 0,75W/mp*K; etanseitate mare la diferentele de presiune; utilizarea la maximum a resurselr naturale; sisteme de ventilare eficiente, cu un cnsum de energie electrica de max. 0,4W/mc/h; rientare catre sud a fatadelr vitrate. 2. Cladire administrativa pasiva energetic 2.1. Cnstructia Obiectul prezentei lucrari il reprezinta cladire administrativa, priectata si cnstruita dupa principiile casei pasive. Macheta cladirii este prezentata in figura 1. Figura 1. Cladirea pasiva AMVIC cu destinatie administrativ - perspectiva. Cladirea se afla in rasul Bragadiru, judetul Ilfv, ss. Alexandriei nr. 292, Rmania si este amplasata langa fabrica de prducere a cfrajelr de nepr si styrpr. Aceasta are un nivel de inaltime P+E+M si este plasata pe sl. Spatiile de la parter au inaltimea de 4.12 m, iar spatiile de etaje au inaltimea de.25 m. Spatiile interiare de la parter si etajele 1, 2 si au destinatie caracteristica cladirilr din dmeniul tertiar, iar spatiul de la etajul 4 este destinat ca spatiu rezidential. Casa scarii este de tip casa de scara exteriara, cea mai mare parte a suprafetelr delimitatare ale ei fiind exteriare, insa, reprezinta un spatiu incalzit. Usa de intrare in casa scarii are sistem autmat de inchidere. Cladirea este rientata cu fatada principala spre sud. In saptiul cladirii cu destinatie cmerciala si de biruri vr lucra cca. 25 de persane, cnsumul de apa rece si apa calda sanitara fiind de regula redus. Iluminatul se va face cu lampi electrice cu cnsum redus si sistem senzitiv privind prtunitatea iluminarii. 2

Structuri: Peretii exteriri au structura urmatarea (de la exterir catre interir): tencuiala exteriara : δ = 0.015 m; λ = 0.9 W/m.K; strat de izlatie termica din plistiren expandat: δ = 0.20 m; λ = 0.04 W/m.K; strat de nepr : δ = 0.06 m; λ = 0.027 W/m.K; strat de betn armat : δ = 0.20 m; λ = 1.74 W/m.K; strat de nepr : δ = 0.06 m; λ = 0.027 W/m.K; strat de izlatie termica de vata minerala : δ = 0.05 m; λ = 0.04 W/m.K; strat de rigips : δ = 0.012 m; λ = 0.50 W/m.K; Ferestrele cladirii sunt termizlante: geam termpan dublu cu rezistenta termica de peste 0.9 m 2.K/W. Casa scarii este realizata cu pereti structurali din betn armat turnati in cfraje termizlante din nepr, cu izlatie de 20 cm din plistiren extrudat sub placa de +0.00 m si 20 cm de izlatie suplimentara de 20 cm de plistiren expandat cu densitatea de 25 kg/mc pe tti peretii exteriri. Acperisul casei este de tip sarpanta din lemn ignifugat, cu izlatie din celulza in grsime ttala de 40 cm, cu invelitare din tabla prfilata Lindab. La partea superiara, tavanul este realizat din placi de gipscartn, cu crpuri de iluminat incluse. Dat fiind gradul de izlare termica desebit de mare al casei, in urma analizei efectuate pentru stabilirea perfrmantei energetice a rezultat rezistenta termica medie a anvelpei : Rm = 6.94 m 2.K/W si un ceficientul glbal de izlare termica : G = 0.11 W/m.K; Cnsumurile specifice sunt urmatarele: - cnsum specific pentru incalzire: q_inc = 9.56 kwh/m 2.an; - cnsum specific pentru prepararea apei calde: q_acm = 11.86 kwh/m 2.an; - cnsum specific pentru iluminat: q_iluminat = 9.40 kwh/m 2.an; - cnsum specific pentru climatizare: q_climatizare = 9.2 kwh/m2.an; A rezultat un cnsum specific ttal de 40.06 kwh/m2.an. Cladirea se incadreaza in clasa energetica A, cnfrm metdlgiei actuale de auditare datrita cnsumurilr extrem de mici asciate casei pasive. Cnsumul energetic este de aprape ri mai mic decat cnsumul casei de referinta, clasata de asemenea in clasa A. 2.2. Utilitati Sistemul de incalzire al cladirii va fi cu aer cald preparat, in general, cu surse necnventinale: preluare de caldura din sl, preincalzire intr- baterie cu agent termic incalzit de la suprafata de captare slara sau de la un prces industrial, recuperare de caldura de la aerul evacuat, incalzirea finala fiind realizata cu pmpa de caldura apa-apa. In periada de vara se va face climatizarea aerului interir, respectiv racirea acestuia, prin intermediul pmpei de caldura reversibile. Energia electrica necesara pentru generarea sarcinii de racire va fi de aprximativ ri mai scazuta decat aprturile de caldura. Pentru dimensinarea sistemului de climatizare si de preparare apa calda necesare functinarii cladirii s-a efectuat evaluare a necesarului de caldura si respectiv de frig ale casei administrative in diferite cnditii climatice slicitante, sintetizate sub frma unr temperaturi echivalente. Valrile rezultate prezentate in tabelul 1 au stat la baza dimensinarii echipamentelr si instalatiilr de incalzire, racire si preparare a apei calde menajere. Tabelul 1: Necesarul de caldura si frig pentru cladirea administrativa VARA Te [ C] 25 0 5 40 Q Ttal frig [W] - 415 1284 040 4766 IARNA

Te [ C] -15-10 -5 0 Q Ttal caldura [W] 12818 11065 911 7557 2.. Dimensinarea instalatiei de climatizare Casa pasiva este caracterizata printre altele si de un cnsum redus de energie electrica, ca urmare schemele dezvltate pentru climatizarea spatiului interir trebuie sa prezinte bucle de recuperare energetica intre fluidele evacuate si intrduse. Din cnsiderente sanitare, aprtul de aer praspat, pentru fiecare persana, trebuie sa fie cuprins intre 0 si 5 mc/h. Aceasta valare crbrata cu vlumul cladirii a determinat utilizarea unui debit nminal de 000 m/h aer praspat pentru traseul de intrducere marime care se inscrie in valriile uzuale utilizate la realizarea caselr pasive, respectiv 0,4 si 0,7 schimburi de aer pe ra, [1]. Dearece instalatia de climatizare aferenta casei pasive este cu 100% aer praspat, aerul evacuat are un ptential termic inprtant, iar cantitatea de caldura cntinuta de acest fluid este recuperata pana la un grad de 70 75% de catre circuitul de aer praspat. Supraincalzirea aerului dupa bucla de recuperare regenerativa este realizata cu baterie de schimbatare de caldura ce utilizeaza un agent termic prdus de baterie de pmpe de caldura de tip apa / apa. In principal apa calda menajera este prdusa cu ajutrul panurilr slare amplasate pe terasa (invelitarea) cladirii cu rientare sud. Apa calda preparata in acestea este acumulata intr-un rezervr de aprximativ 2000 l. Datrita prceselr tehnlgice existente in fabrica ce se afla in vecinatatea casei pasive exista un debitul de apa calda tehnlgica ce are temperatura de aprx 70 C ce ttalizeaza un vlum de max 120 mc pe un interval rar de re, pe periada diurna a zilei si pe periada de aprximativ 9 luni pe an. In periada farte rece aceasta sursa de caldura se diminueaza ca urmare a diminuarii prcesului tehnlgic de fabricare a plistirenului expandat. Aceasta sursa de energie este utilizata pentru cresterea temperaturii aerului praspat la iesirea din schimbatrul cu slul si inainte de intrarea in treapta de filtrare. Pmpa de caldura este echipamentul cheie al acestei instalatii ea functinand in mdul racire sau in mdul incalzire, in functie de sezn. le deseu reprezinta sursele de energie ale pmpei de caldura, aceste energii pt fi energii regenerabile sau de ptential termic scazut si sunt dispnibile in md gratuit in natura. In plus, pentru cresterea eficientei energetice a cladirii, prin reducerea cnsumului de electricitate in periada calda a anului se pate realiza racirea spatiului cu aer exterir (free cling), functie de necesitati debitul de aer putand sa creasca pentru mai mare eficacitate a prcesului de racire pana la valarea maxima de 150% din valarea debitului nminal. Astfel caldura acumulata peste zi in elementele inertiale ale cladirii va fi evacuata prin fenmenul de free cling in ziua urmatare instalatia frigrifica fiind utilizata dar pentru eliminarea aprturilr de caldura si umiditate datrate activitatii amenilr cat si aprturile de caldura datrate echipamentelr utilizate. Nu se recmanda deschiderea aleatare a ferestrelr pentru ventilarea naturala dearece aceasta actiune trebuie farte bine crelata cu temperatura exteriara dearece utilizare intamplatare pate intrduce cnsumuri energetice suplimentare. 2.4. Schema instalatiei de climatizare si preparare apa calda de cnsum in seznul rece Instalatia de climatizare si de prdus apa calda menajera a fst cnceputa pentru a realiza cnfrtul termic interir pe periada cntinua de timp indiferent de cnditiile exteriare. Atat incalzirea cat si racirea spatiului se realizeaza prin intermediul a dua sisteme independente, primul utilizeaza un debit de aer praspat preluat in ttalitate din exterir, instalatia fiind fara recirculare si cel de al dilea prin intermediul pardselilr radiante situate 4

la fiecare nivel. Functinarea celr dua sisteme simultan sau separat se face functie de sarcina termica necesara realizarii cnfrtului termic interir. Traseul de intrducere pentru aerul praspat este prevazut cu clapete de reglaj si dirijare a debitului de aer in functie de sezn sau de temperatura exteriara. In principal exista trei tipuri distincte de functinare pentru instalatie aferente seznului cald (vara), rece (iarna) si sezanelr de tranzitie (primavara si tamna). Schema instalatiei de climatizare si preparare apa calda de cnsum este prezentata in figura 2. Aerul praspat este intrdus in sistem prin intermediul unui schimbatr de caldura ce este ingrpat in sl prin intermediul caruia se realizeaza prima bucla de recuperare necesara atat in situatia de iarna (incalzirea debitului de aer praspat preluat din exterir) cat si in situatia de vara (racirea debitului de aer praspat preluat din exterir). In situatia in care valarea temperaturii aerului exterir este aprpiata de cea a pamantului debitul de aer praspat este dirijat direct in tubulatura de intrare fara a mai parcurge intreg circuitul ce se afla ingrpat in sl. Acest lucru este psibil prin mdificarea pzitiei clapetelr de dirijare. In situatia de iarna pentru valare a temperaturii aerului exterir de -15 C si umiditate relativa de 80%, energia recuperata in acest schimbatr ajunge la valarea maxima de 9,75 kw. Prin simularea functinarii acestui schimbatr s-au putut btine valrile parametrilr in sectiunea de iesire din schimbatr respectiv pentru debitul de aer praspat de 000 mc/h si parametrii exteriri prezentati mai sus a rezultat valare a temperaturii de -5 C si umiditate relativa de 20%, [2]. In cntinuare aerul praspat trece prin schimbatrul de caldura denumit PREINCALZITOR ce are rlul de a ridica valarea temperaturii aerului intrdus in sistem pana la valarea de +5 C, inainte de a fi intrdus in bateria de filtrare. Necesitatea atingerii valrii de +5 C este dictata de evitarea frmarii ghetii pe suprafata filtrelr. Incalzirea aerului pana la aceasta valare de temperatura se pate face utilizand energie deseu prvenita din activitatea industriala care se practica in zna (apa calda). Energia recuperata in aceasta bucla atinge valare maxima de 10,84 kw. Dupa treapta de filtrare aerul de intrducere este trimis catre un schimbatr de caldura recuperativ unde se recupereaza cantitate de caldura imprtanta cntinuta in debitul de aer interir care este evacuat din cladire. Ca urmare a acestui prces de incalzire a debitului de aer praspat valarea temperaturii creste pana la valare de +15 C si umiditate relativa de 5%. Agentul primar respectiv aerul extras din cladire se raceste de la valare de 22 C si umiditatea de 40 % pana la valare a temperaturii de +11 C si umiditate relativa de aprx 80% evitandu-se astfel prblemele ce pt aparea ca urmare a cndensarii vaprilr de apa inainte ca acestia sa fie evacuati in exterir. 5

+C Attic 16 17 19 +C First flr 12 18 25 24 2 Inlet +11C Outlet Outlet air (000 m /h) 12 16 18 17 25 26 19 25 Water tap 20 22 21 21 27 Inlet water 21 26 Fresh air (000 m /h) 5 2 +15C 21 28 Inlet 6 air (000 m /h) +22C -5 C +5 C 15 +22C -15C 1 4 7 8 9 10 11 1 14 Outlet air (000 m /h) Figura 2.Schema instalatiei de climatizare si preparare apa calda de cnsum Legenda: 1, - Clapete de reglare; 4 - Schimbatr de caldura cu slul; 5 put absrbtie apa (tur); 6 - put injectie apa (retur); 7- Preincalzitr; 8 Ventilatr; 9 Filtru F; 10 Filtru G7; 11 Schimbatr de caldura recuperativ; 12 Schimbatr de caldura; 1, 14 Clapete de reglare 5,6; 15 Exhaustr; 16 Ventil cu 4 cai; 17 Cmpresr; 18 Ventil de laminare; 19 Cndensatr; 20 Biler pmpa de caldura; 21 Pmpe de recirculare; 22 Rezistenta electrica; 2 Biler 00l; 24 Captatr slar; 25 Ventile cu cai; 26 Vas expansiune; 27 Crp static; 28 Schimbatr de caldura. Cantitatea de energie recuperata in acest echipament este de aprx. 10,2 kw. Astfel ca urmare a acestr recuperari succesive aerul praspat preluat integral din exterir este incalzit de la valarea de -15 C pana la valarea de +15 C in acest caz energia recuperata ajungand la valare de 0,79 kw, []. Ulterir acestr recuperari debitul de aer praspat inainte de a fi intrdus in vlumul interir este din nu incalzit intr- treapta finala pentru care agentul termic primar este prdus de baterie de pmpe de caldura. Aerul praspat este intrdus cu valare a temperaturii de +22 C si umiditate relativa in jurul valrii de 5%. Puterea termica dezvltata de bateria de pmpe de caldura este de aprx. 20,5 kw. Peste sistemul de incalzire a aerului praspat necesar mentinerii temperaturii interiare mai exista in paralel inca un sistem de incalzire prin pardseala. Agentul termic din acest circuit este preparat de alta pmpa de caldura functinarea acestui sistem putand sa se faca simultan cu incalzirea cu aer sau separat. Puterea termica a pmpei de caldura din acest circuit de incalzire prin pardseala este de 11 kw. In situatiile in care se impune racirea spatiului acest lucru se pate realiza tt pe 2 cai, fie prin utilizarea de pmpe de caldura reversibile fie prin utilizarea unui sistem de racire 6

pasiv respectiv se utilizeaza apa din puturile care reprezinta sursa de caldura pentru functinarea pmpelr de caldura. In cazul racirii pasive apa de put cu un ptential termic de aprximativ +10 C este pmpata atat pentru racirea aerului interir dupa ce acesta a trecut prin schimbatrul cu pamntul fie pentru racirea pardselilr ce vr fi utilizate ca suprafete reci de radiatie. In cazul racirii pasive avantajul este reprezentat de cnsumul energetic redus fata de utilizarea unr pmpe de caldura reversibile. In situatia de vara (racirea aerului interir) preincalzitrul nu este alimentat cu agent termic iar aerul interir evacuat din cladire va by-pasa schimbatrul de caldura recuperativ, prin intermediul unr clapete de dirijare. Necesarul maxim de energie termica rezultat din calcul pentru aceasta cladire este de 62, kw din care 0,79 kw reprezinta cantitatea de energie recuperata si dar 1,5 kw energie termica prdusa si utilizata in md direct. Necesarul de energie termica calculat pentru cladire uzuala de aceleasi gabarit si in aceleasi cnditii climatice dar realizata intr- maniera clasica este de 205,9 kw, []. Ca urmare tinand cnt de energia prdusa pentru incalzirea cladirii pasive cmparativ cu energia necesara incalzirii cladirii clasice cnsumul energetic este dar de 15,% din ttalul de energie necesar. Apa calda menajera se prepara fie cu ajutrul captatrilr slari pe periada in care exista radiatie slara imprtanta (in general pe periada verii) fie cu ajutrul unei pmpe de caldura. Acest tip de preparare a apei calde se realizeaza cu priritate fata de cealalalta functiune cea de incalzire. Pentru incalzirea apei calde menajere este utilizata pmpa de caldura legata pe traseul de incalzire prin pardseala. Intre pmpa de caldura si utilizatr exista un vas acumulatr ce are capacitate de aprx. 00 l temperatura apei fiind in jurul valrii de +50 C, [4]. Datrita valrii scazute a temperaturii apei de cnsum la un interval de 7-10 zile vlumul de apa din interirul vasului de acumulare va fi supus unui prces de ridicare a valrii de temperatura pana la valri de +70 C pentru prevenirea existentei si dezvltarii unr bacterii.. Cncluzii In figura se pate bserva ecnmia de energie pe fiecare echipament in parte cat si ecnmia glbala care se realizeaza prin utilizarea buclelr energetice dezvltate in schema functinala. De asemenea valare de aprx 50% este reprezentata de energia recuperata de la mediul (sl, sare) si din energia aerului interir rezultand dar necesitatea prducerii a 50% din necesarul ttal de energie. Gradul de izlare este scs in evidenta inca data prin energia necesara la pmpa de caldura care acpera practic dar pierderile energetice inspre exterir. In mmentul de fata cladirea descrisa este finalizata urmand ca in periada urmatare sa se achizitineze si sa se mnteze echipamentele ce au fst alese. Astfel urmatarea periada dupa finalizarea mntajului va fi destinata mnitrizarii cnsumurilr energetice si analizei imbunatatiri acestra. Se va urmarii cmprtamentul si abaterea care se prduce fata de mdelul teretic. 7

Recuperate/Prduse (kw) Rec/Prd; PC2; 17% Rec/Prd; PC; Rec/Prd; SCS; 17% 16% SCS Rec/Prd; PC1; 17% Rec/Prd; Pr; 17% Rec/Prd; SCR; 16% Pr SCR PC1 PC2 PC Figura. Recuperate / Prduse pentru realizarea cnfrtului termic interir 4. Bibligrafie 1. Hera, Dr. Utilizarea pmpelr de caldura la incalzirea lcuintelr, slutie eclgica si eficienta energetic, rev. Instalatrul nr 9/2006, ISSN 122-7418, pag. 26-7. 2. V. Badescu, 2005, Mdelling the earth-t-air heat exchanger f a passive huse, Cnferinta Facultatii de Instalatii, Universitatea Tehnica de Cnstructii, Bucuresti, niembrie 2005.. Hera, Dr., Mateescu, I., Ivan, G Optimizarea cnsumurile energetice in cladiri prin utilizarea sistemelr de pmpe de caldura, (Cnf. a XI-a a Fac. de Instalatii cu participare internatinala,, Eficienta, cnfrt, cnservarea energiei si prtectia mediului, Buc. 25-26 nv. 2004), publ. CD. cnf. 6 p. 4. M. Crutescu: Slar heating systems, SIGPROT 2005, ISBN 29 97-718-50-9. 5. Hera, Dr., Drughean, L., Girip, A. Imprvement f the energy efficiency in the refrigeratin plants, (The 22 nd IIR Internatinal Cngress f Refrigeratin, Beijing, China, 21-26 August 2007), publ. CD cngress, 7 p. M. Crutescu, C. Papuc Sisteme de incalzire slara, SIGPROT 2005, ISBN 29 97-718-50-9. 8