AUTOMATIZAREA SISTEMELOR ŞI INSTALAŢIILOR DE ÎNCĂLZIRE
AUTOMATIZAREA SISTEMELOR ŞI INSTALAŢIILOR DE ÎNCĂLZIRE
AUTOMATIZAREA SISTEMELOR ŞI INSTALAŢIILOR DE ÎNCĂLZIRE
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>AUTOMATIZAREA</strong> <strong>SISTEMELOR</strong> <strong>ŞI</strong> <strong>INSTALAŢIILOR</strong><br />
<strong>DE</strong> <strong>ÎNCĂLZIRE</strong><br />
V.1. Aspecte generale<br />
Sistemele de încălzire sunt unităţi termice de producere a căldurii în<br />
scopuri tehnologice sau menajere. Rolul acestora se referă la proiectarea şi<br />
realizarea de soluţii moderne şi eficiente pentru:<br />
- menţinerea în încăperi a unei temperaturi cât mai uniforme, situată în jurul<br />
valorii cerute, atât în plan orizontal cât şi în plan vertical;<br />
- reglarea temperaturii interioare în funcţie de necesităţi, ţinând seama de<br />
inerţia termică a elementelor de construcţie;<br />
- menţinerea temperaturii suprafeţelor elementelor de construcţii astfel încât să<br />
se evite fenomenul de radiaţie rece şi fenomenul de condensare a vaporilor de<br />
apă pe suprafaţa acestor elemente;<br />
- încălzirea fără poluarea aerului din încăperi şi fără poluarea mediului;<br />
- încălzirea fără curenţi perturbatori ai aerului din încăperi;<br />
- asigurarea de soluţii eficiente şi economice din punct de vedere al instalaţiilor<br />
şi al exploatării.<br />
Pentru aprecierea unei instalaţii de încălzire se defineşte un set de cerinţe,<br />
de importanţă diferită. Astfel, confortul termic (apreciat prin temperatura<br />
interioară a aerului) trebuie îndeplinit cu prioritate, apoi stabilitatea şi<br />
uniformitatea temperaturii interioare a aerului, temperatura interioară rezultată,<br />
ecartul de temperatură pe verticală, indicele global de confort termic, viteza<br />
curenţilor de aer şi umiditatea relativă a aerului.<br />
Adaptarea la utilizarea şi economia de energie sunt, de asemenea, exigenţe<br />
prioritare, pentru care se asigură: stabilitatea hidraulică a reţelei, măsuri pentru<br />
reglarea sarcinii termice în funcţie de parametri climatici exteriori, aparatură de<br />
măsură şi control pentru cunoaşterea parametrilor instalaţiei de încălzire, condiţii<br />
speciale pentru extinderi, funcţionare parţială, avarii.<br />
De asemenea, au o importanţă majoră siguranţa în exploatare, siguranţa la<br />
foc, rezistenţa şi stabilitatea, etanşeitatea, igiena, sănătatea şi protecţia mediului,<br />
confortul acustic, vizual şi tactil, economicitatea.<br />
Instalaţiile de încălzire se pot clasifica după mai multe criterii şi anume:<br />
- după modul de amplasare a sursei termice: încălzire centrală, locală, la<br />
distanţă;<br />
- după natura agentului termic: încălzire cu apă caldă, apă fierbinte, abur cu<br />
presiune joasă, abur cu presiune medie, aer cald;<br />
- după natura energiei utilizate: încălzire electrică, încălzire cu pompe de<br />
căldură, încălzire cu energie convenţională (combustibili gazoşi, lichizi,<br />
solizi), încălzire cu energii neconvenţionale (solară, geotermală, biomasă,<br />
etc.), instalaţii de recuperare a căldurii reziduale;<br />
- după modul în care se face transmisia căldurii: încălzire prin convecţie,<br />
radiaţie;<br />
- după modul în care se asigură parametri din interiorul încăperilor: încălzire<br />
normală, încălzire de gardă.<br />
129
V.2. Sisteme şi instalaţii de încălzire centrală<br />
Sisteme de încălzire centrală utilizează drept agent termic apa caldă care<br />
îşi măreşte potenţialul termic în cazan, preluând o parte din energia termică<br />
cedată de combustibilul ars, iar printr-o reţea închisă de conducte transferă<br />
energia termică acumulată spaţiului ce urmează a fi încălzit, utilizând suprafeţe<br />
de încălzire.<br />
Cele mai importante criterii de clasificare ale sistemelor de încălzire,<br />
respectiv ale centralelor termice sunt următoarele [19]:<br />
a) după puterea instalată:<br />
- CT de putere mică ( 100 kW);<br />
- CT de putere medie (100…2000 kW);<br />
- CT de putere mare (> 2000 kW).<br />
b) după natura agentului termic utilizat:<br />
- instalaţii cu apă fierbinte, cu temperatura până la (115…120) 0 C;<br />
- instalaţii cu apă caldă, de medie temperatură, cu temperatura până la 95 0 C;<br />
- instalaţii cu apă caldă, de joasă temperatură, cu temperatura până la 65 0 C;<br />
- instalaţii cu abur de joasă presiune, sub 0,7 bar suprapresiune;<br />
- instalaţii cu abur de medie presiune, peste 0,7 bar suprapresiune;<br />
- instalaţii cu fluide speciale.<br />
c) după modul de vehiculare a agentului termic:<br />
- instalaţii cu circulaţie naturală (gravitaţionale);<br />
- instalaţii cu circulaţie forţată.<br />
d) după schema de asigurare împotriva suprapresiunilor accidentale:<br />
- instalaţii cu vase de expansiune deschise;<br />
- instalaţii cu supape de siguranţă şi vase de expansiune deschise/închise;<br />
- instalaţii cu supape de siguranţă şi/sau dispozitive hidraulice.<br />
e) după alcătuirea reţelei de distribuţie:<br />
- reţele arborescente;<br />
- reţele radiale;<br />
- reţele inelare.<br />
f) după gradul de răspuns la condiţiile de stabilitate termică:<br />
- instalaţii cu reglare termo-hidraulică locală;<br />
- instalaţii cu reglare termo-hidraulică centrală;<br />
- instalaţii cu gestiune globală a energiei.<br />
g) după natura combustibilului utilizat: cu combustibil gazos, lichid sau solid;<br />
h) după modul de exploatare a centralei:<br />
- CT automate;<br />
- CT cu supraveghere totală/parţială;<br />
- CT manuale.<br />
Indiferent dacă sistemul termic deserveşte un singur apartament sau o<br />
zonă întreagă, structura de bază nu diferă în mod esenţial. În alcătuirea unei<br />
centrale termice intră cazanele, pompele, elementele de legătură şi de distribuţie,<br />
gospodăria de combustibil, elementele de evacuare a produselor arderii,<br />
instalaţiile de automatizare (Fig.5.1).<br />
130
Fig.5.1. Schema simplificată a sistemului de încălzire centrală<br />
Funcţionarea unei centrale termice se bazează pe conversia unei forme<br />
oarecare de energie în energie termică. Forma primară de energie cea mai<br />
utilizată în prezent este de natură chimică (hidrocarburi, cărbuni). Într-o măsură<br />
mai redusă se utilizează combustibili organici de origine vegetală (lemn şi<br />
deşeuri).<br />
Căldura produsă, transpusă pe agenţii purtători, are o dublă utilizare:<br />
încălzirea încăperilor şi furnizarea apei calde.<br />
Agenţii purtători de energie pentru încălzire parcurg o reţea închisă,<br />
mişcarea agentului cu un debit Fag fiind una forţată, cauzată de diferenţa de<br />
presiune p, produsă de un sistem de pompe.<br />
Ecuaţia care exprimă legătura dintre p şi viteza de curgere a agentului<br />
este:<br />
2<br />
2<br />
v<br />
v<br />
p plin<br />
ploc<br />
Clin<br />
Cloc<br />
(5.1)<br />
2 2<br />
unde:<br />
C l<br />
lin este coeficientul pierderilor liniare de presiune;<br />
d<br />
l – lungimea conductei;<br />
d – diametrul conductei;<br />
64 - constantă dependentă de regimul de curgere (număr Reynold);<br />
Re<br />
Cloc - coeficientul pierderilor locale de presiune;<br />
- densitatea agentului termic (apa);<br />
v – viteza de curgere;<br />
plin, ploc – pierderile de presiune liniare, respectiv locale.<br />
Sistemul care transportă agentul termic la consumator se numeşte tur, iar<br />
sistemul prin care agentul se întoarce se numeşte retur. Căldura cedată<br />
încăperilor încălzite este dată de diferenţa de temperatură dintre tur şi retur:<br />
dQ<br />
Fagc<br />
agT<br />
(5.2)<br />
dt<br />
unde: cag este căldura specifică a agentului termic;<br />
131
T T0<br />
T1<br />
- diferenţa de temperatură dintre tur şi retur. Pentru o<br />
funcţionare optimă aceasta se menţine constantă, la o valoare care depinde de<br />
temperatura exterioară.<br />
Sistemul pentru apa caldă menajeră este un sistem deschis, caracterizat<br />
prin temperatura Ta. Deoarece nu toată cantitatea de apă produsă este şi<br />
consumată, pentru evitarea răcirii apei pe conducte, se utilizează un sistem de<br />
recirculare.<br />
Căldura primară este obţinută pe baza arderii combustibilului în focarul<br />
cazanului şi este predată agentului termic prin intermediul unui sistem de ţevi<br />
încălzite (Fig.5.2). La ieşirea din cazan, agentul primar (apa caldă sau fierbinte)<br />
este distribuit spre:<br />
- sistemul de încălzire centrală;<br />
- sistemul de preparare a apei calde.<br />
În vana cu trei căi se face o amestecare a agentului primar şi a returului<br />
sistemului, obţinând turul cu valorile necesare pentru temperatură, presiune şi<br />
debit; la crearea presiunii contribuie sistemul de pompe, comutabil în trepte.<br />
Pentru completarea sistemului închis de încălzire cu apă şi pentru a compensa<br />
variaţia volumului agentului primar cu temperatura, la sistem este legat vasul de<br />
expansiune în care se menţine presiunea dorită prin intermediul unei perne de aer<br />
produsă de compresorul de aer.<br />
Fig.5.2. Schema centralei termice<br />
Apa caldă menajeră se obţine din apa rece din sistemul de alimentare cu<br />
apă potabilă cu ajutorul schimbătorului de căldură în contracurent. Apa caldă este<br />
recirculată cu ajutorul unui sistem de pompe. Pe timp de noapte, când consumul<br />
de apă este redus, apa caldă este furnizată din rezervoare încărcate în timpul zilei.<br />
Pentru alimentarea consumatorilor cu puteri termice necesare între 20 şi<br />
1000 kW există şi varianta utilizării staţiilor termice compacte. Acestea sunt<br />
alcătuite din schimbătoare de căldură, pompe de circulaţie a agentului termic şi<br />
elemente de reglare şi automatizare, la care se adaugă şi rezervorul de acumulare,<br />
dacă construcţia schemei prevede acest lucru [21].<br />
Staţiile compacte sunt, de fapt, puncte de transformare în care puterea<br />
termică a agentului primar la un anumit potenţial se transferă agenţilor secundari<br />
132
la potenţialele termice cerute de consumator. Aceste echipamente sunt utile<br />
consumatorilor de tip locuinţă unifamilială sau grupurilor de apartamente.<br />
Schemele cele mai utilizate pentru staţii termice compacte sunt cele în<br />
care schimbătorul de căldură pentru prepararea apei calde se leagă în<br />
serie-paralel cu încălzirea. Variantele îmbunătăţite utilizează două trepte<br />
serie-paralel, în care schimbătorul treapta I este legat în serie cu schimbătorul<br />
treapta II, iar acesta este legat paralel cu schimbătorul de încălzire (Fig.5.3<br />
şi 5.4). În acest fel se oferă posibilitatea utilizării potenţialelor termice scăzute ale<br />
agentului termic primar pentru preîncălzirea apei calde de consum în<br />
schimbătorul de căldură treapta I.<br />
Fig.5.3. Staţia termică compactă pentru prepararea ACC în două trepte<br />
serie-paralel cu încălzirea<br />
Fig.5.4. Staţia termică compactă pentru prepararea ACC cu acumulare în două trepte<br />
serie-paralel cu încălzirea<br />
133
V.2.1. Automatizarea sistemelor de încălzire centrală<br />
Analiza soluţiilor de automatizare pentru o centrală termică porneşte de la<br />
un criteriu hotărâtor - valoarea maximă a raportului performanţă tehnică/valoarea<br />
investiţiei, deci calitate/preţ, dar ţine seama şi de regimul hidraulic din circuitul<br />
primar şi secundar, respectiv funcţionarea în sisteme cu debit variabil şi<br />
funcţionarea în sisteme cu debit constant de agent termic.<br />
În procesele de încălzire şi preparare a apei calde de consum, obiectivul<br />
reglării constă în menţinerea mărimii reglate (temperatura, presiunea, debitul<br />
purtătorului de căldură) la valoarea prescrisă, în condiţiile unor costuri minime şi<br />
respectării cerinţelor privind parametri optimi de confort.<br />
Analizate prin prisma optimizării, procesele de încălzire şi de preparare a<br />
apei calde de consum trebuie să răspundă unei serii de cerinţe:<br />
- menţinerea în încăperile din clădiri a unor temperaturi interioare<br />
constante (cât mai apropiate de valoarea de confort), cu posibilitatea modificării<br />
acestora în funcţie de: destinaţia încăperii, regimul de utilizare, perioadă<br />
(zi – noapte, sfârşit de săptămână), obişnuinţa cu un anumit regim termic, apariţia<br />
unor aporturi gratuite, etc.; ca urmare, în conceperea soluţiilor de reglare apare<br />
indicat să se controleze desfăşurarea procesului de încălzire în fiecare încăpere.<br />
- coordonarea regimului hidraulic al instalaţiilor de încălzire (circuitele<br />
secundare ale punctelor termice) cu caracteristica de pompare debit – presiune; în<br />
acest sens se impune echilibrarea reţelei de distribuţie şi a coloanelor;<br />
- coordonarea regimului hidraulic al punctelor termice şi al reţelei de apă<br />
fierbinte cu caracteristicile funcţionale ale pompelor de circulaţie; în acest sens se<br />
impune echilibrarea reţelei şi prevederea de regulatoare de debit în punctele<br />
termice;<br />
- menţinerea temperaturii apei calde de consum într-un domeniu restrâns,<br />
teoretic constant; această cerinţă, datorită variaţiei consumului de apă caldă şi a<br />
temperaturii agentului primar, constituie o sursă de perturbaţii;<br />
- livrarea agentului termic primar în reţea şi la punctele termice, la un<br />
nivel de temperatură cât mai apropiat de graficul teoretic de reglare, astfel încât<br />
buclele de reglare să opereze eficient în obţinerea parametrilor controlaţi<br />
(temperatură interioară în încăperi, temperatura apei calde de consum).<br />
Funcţiile de reglare se pot asocia cu alte funcţii ale buclelor de<br />
automatizare (ex. asigurarea protecţiei utilizatorilor şi personalului de exploatare,<br />
precum şi a echipamentelor).<br />
Pentru realizarea funcţiei de reglare se poate utiliza:<br />
- reglarea în buclă închisă, în care mărimea reglată este măsurată,<br />
valoarea ei este comparată cu valoarea prescrisă şi se acţionează asupra puterii<br />
termice, pentru ca valoarea mărimii reglate să se apropie de valoarea prescrisă, în<br />
limite strânse (ex. controlul temperaturii de preparare a ACC);<br />
- reglarea în buclă deschisă, în care mărimea reglată este comparată cu<br />
valoarea prescrisă, în corelare cu variaţia perturbaţiilor care influenţează nevoile<br />
de căldură, fără controlul mărimii care reflectă calitatea serviciului (ex. realizarea<br />
corespondenţei dintre temperatura apei calde din conducta de tur şi temperatura<br />
exterioară a aerului).<br />
134
Acţiunea de reglare este concepută să răspundă la trei operaţiuni<br />
funcţionale: măsurarea, compararea şi comandarea. Dintre soluţiile utilizate în<br />
tehnica reglării, în funcţie de modul în care se corectează mărimea reglată, se<br />
disting următoarele [11,19,38,42,43,45,47]:<br />
- reglarea “tot sau nimic”, în care se controlează temperatura apei la<br />
ieşirea din cazan, prin anclanşarea şi declanşarea arderii; modul “totul sau nimic”<br />
este recomandat la reglarea temperaturii interioare din clădirile cu inerţie termică<br />
mare. Prin efectul inerţiei termice a încăperilor şi al aporturilor de căldură,<br />
duratele de funcţionare şi de întrerupere a emiţătorului de energie termică se pot<br />
schimba; acest mod de acţionare poate fi folosit şi la prepararea apei calde de<br />
consum în instalaţii prevăzute cu acumulare;<br />
- reglarea tripoziţională (flotantă), în care poziţiile “deschis”, “de<br />
echilibru” şi “închis” a elementului de execuţie (ex. robinet de reglare) se obţin<br />
prin comanda de deschidere sau închidere la anumite valori negative sau pozitive<br />
ale abaterii mărimii reglate faţă de valoarea de consemn; modul tripoziţional se<br />
poate utiliza la reglarea temperaturii interioare din încăperi, prin modificarea<br />
puterii termice emise (debitul de fluid);<br />
- reglarea progresivă, în care regulatorul poate fi: proporţional (P),<br />
integrativ (I), proporţional-integrativ (PI) sau proporţional–integrativ-derivativ<br />
(PID).<br />
În cazul reglării P, ventilul robinetului de reglare se deplasează cu aceeaşi<br />
valoare pentru fiecare unitate a abaterii mărimii reglate. Diferenţa dintre valoarea<br />
maximă a mărimii reglate şi valoarea minimă admisă a acesteia reprezintă “banda<br />
de proporţionalitate” (BP). În cazul reglării I, viteza de deplasare a organului de<br />
execuţie este proporţională cu valoarea abaterii mărimii reglate faţă de mărimea<br />
de referinţă. Atâta timp cât există o eroare (abatere) regulatorul acţionează,<br />
asigurând corecţia poziţiei robinetului de reglare. În cazul reglării PI, poziţia<br />
robinetului de reglare se obţine prin completarea acţiunii proporţionale cu modul<br />
de acţiune integral. Constanta de timp de integrare care apare în acest caz,<br />
reprezintă timpul după care corecţia poziţiei robinetului de reglare generată de<br />
acţiunea P este repetată prin acţiunea I şi depinde de viteza de deplasare a<br />
organului de execuţie. Un astfel de sistem (cu regulator PI) este precis şi sensibil<br />
şi poate fi folosit la încălzirea clădirilor civile sau industriale şi la prepararea apei<br />
calde de consum cu schimbătoare de căldură fără acumulare. Suplimentar, faţă de<br />
modul PI, sistemul PID ţine seama de viteza cu care mărimea reglată se<br />
îndepărtează de valoarea de consemn. Un regulator PID se adaptează la o buclă<br />
de reglare prin trei mărimi caracteristice (banda de proporţionalitate, constanta de<br />
timp de integrare, constanta de timp de derivare), mărimi de care se ţine seama în<br />
operaţiunile de acordare a regulatoarelor.<br />
În acelaşi timp, echipamentele de automatizare a centralelor pentru<br />
încălzirea clădirilor şi prepararea apei calde de consum devin tot mai complexe.<br />
Aceasta se reflectă prin ponderea în preţul cazanului şi în faptul că tot mai multe<br />
disfuncţionalităţi la instalare sau exploatare se datorează automatizării.<br />
La construcţia echipamentelor de automatizare se folosesc atât tehnologii<br />
vechi, consacrate (ex. termostate, programatoare cu came), cât şi ultimele<br />
realizări în domeniul prelucrării informaţiilor: microcalculatoare de proces,<br />
135
automate logice programabile executate în tehnologia componentelor electronice<br />
montate pe suprafaţa cablajului imprimat.<br />
Principiile de reglare sunt aproximativ identice cu cele folosite cu mai<br />
mulţi ani în urmă, în prezent remarcându-se implementarea într-un gabarit tot<br />
mai redus a unui număr ridicat de funcţii de automatizare şi o evoluţie importantă<br />
în ceea ce priveşte dialogul cu operatorul uman.<br />
În figura 5.5 se prezintă schema de conectare în cascadă a două cazane,<br />
specifică folosirii agentului termic pentru încălzire şi preparare apă caldă de<br />
consum [43]. Notaţiile au următoarea semnificaţie: C – cazan, B – boiler pentru<br />
prepararea ACC, CI – corp de încălzire, P – pompă, V – ventil cu trei căi şi<br />
servomotor, Te – termostat aer exterior, Ta – termostat de ambianţă,<br />
Tc – termostat de contact.<br />
Fig.5.5. Schema de reglare pentru două cazane<br />
Regulatorul asigură:<br />
- pornirea în cascadă a două cazane, cu una sau două trepte, funcţie de<br />
temperatura apei în bara de ieşire din cazan;<br />
- menţinerea unei temperaturi a agentului termic de încălzire mai mică sau<br />
egală cu temperatura apei din cazane, funcţie de temperatura exterioară şi în<br />
corespondenţă cu curba de reglare a încălzirii, realizată prin bucla de reglare I;<br />
- temperatura dorită a apei calde de consum, prin intermediul buclei de<br />
reglare II;<br />
- comanda de la distanţă D;<br />
- optimizarea temperaturii agentului termic de încălzire funcţie de<br />
temperatura de ambianţă Ta.<br />
Dacă se utilizează regulatoare analogice, pentru fiecare sistem de reglare<br />
este necesar câte un regulator. În cazul alegerii unui regulator numeric multicanal<br />
se pot realiza toate funcţiile de reglare cu un singur aparat. Acesta poate<br />
comunica cu un calculator, caz în care se poate realiza un sistem de monitorizare.<br />
Pentru un sistem de încălzire racordat la reţeaua urbană şi la instalaţia<br />
interioară de încălzire şi preparare ACM, se utilizează boilere. Acestea sunt<br />
destinate aplicaţiilor pentru alimentarea cu agent termic, răspunzând exigenţelor<br />
de încălzire şi preparare apă caldă menajeră atât pentru marile complexe cât şi<br />
pentru spaţiile de locuit conectate la un sistem de încălzire central. Între<br />
avantajele oferite de utilizarea boilerelor se remarcă:<br />
136
- lipsa emisiilor de noxe, care în cazul sistemelor de încălzire tradiţionale<br />
pun probleme de montaj;<br />
- instalarea nu necesită un spaţiu special, care să corespundă din punct de<br />
vedere al suprafeţei vitrate;<br />
- pentru utilizator există posibilitatea unui control total al consumului şi al<br />
nivelului de confort urmărit.<br />
Boilerul “Tank in Tank” prezentat în figura 5.6 este un schimbător de<br />
căldură cu acumulare integrată, constituit din două rezervoare, unul în interiorul<br />
celuilalt şi funcţionează ca un acumulator termic cu eficienţă ridicată, asigurând<br />
un răspuns rapid la cererea de energie termică din instalaţie, deoarece suprafaţa<br />
de schimb termic este mai mare decât în cazul unui boiler cu serpentină [47].<br />
Fig.5.6. Schema de principiu pentru racordarea boilerului “Tank in Tank”<br />
Rezervorul interior care conţine apa ce trebuie încălzită (circuitul<br />
secundar), este total imersat în rezervorul exterior ce conţine agentul termic<br />
încălzitor (circuitul primar). Agentul primar circulă între cele două rezervoare şi<br />
cedează căldura apei calde menajere.<br />
Reglarea locală a agentului termic este realizată cu o vană cu trei căi<br />
(servomotorizată), o pompă de circulaţie şi o sondă de temperatură montată pe<br />
circuitul de tur. Reglarea agentului de încălzire este făcută printr-o vană cu două<br />
căi (servomotorizată). Un gigacalorimetru măsoară consumul de energie termică<br />
în funcţie de temperatura de pe tur şi retur. Senzorul termostatului din interiorul<br />
rezervorului de ACM controlează circulaţia agentului termic de încălzire prin<br />
intermediul unui regulator (electronic), care comandă simultan cele două vane<br />
137
servomotorizate, în funcţie de necesarul de căldură, temperatura exterioară şi<br />
temperatura ambientală.<br />
În funcţie de cerinţele impuse şi de costul soluţiilor care pot fi adoptate,<br />
automatizarea centralelor termice poate atinge diferite niveluri de complexitate<br />
(urmând evoluţia generală din domeniul sistemelor de automatizare), respectiv:<br />
automatizare locală, centralizată, ierarhizată şi distribuită [16,17].<br />
O buclă locală de reglare lucrează independent de celelalte bucle de<br />
reglare (şi de multe ori în conflict), nu necesită alte conexiuni şi are dezavantaje<br />
considerabile: parametri ficşi ai regulatorului şi imposibilitatea de comunicare<br />
(Fig.5.7). Când domeniul de reglare este mare rezultatul reglării cu astfel de<br />
bucle poate fi total nesatisfăcător. Lipsa facilităţilor de comunicare face<br />
imposibilă urmărirea şi coordonarea centralizată a instalaţiei, cu implicaţii<br />
economice, mai ales la sarcini mici.<br />
Fig.5.7. Sistem de conducere locală<br />
Conceptul pe care se bazează arhitectura sistemelor centralizate este<br />
camera de comandă, în care se află regulatoarele, acesta fiind un avantaj<br />
important din punctul de vedere al operatorului, care poate urmări evoluţia<br />
diferiţilor parametri şi interveni în comanda instalaţiei (Fig.5.8). Aparatele locale<br />
sunt complet dependente de comenzile venite de la centru, ele neputând lucra<br />
independent, iar parametrii de acord ai regulatoarelor rămân, în general, ficşi,<br />
operatorul acţionând numai asupra valorilor de referinţă. Traductoarele şi<br />
elementele de execuţie sunt montate în instalaţie (în câmp, după limbajul<br />
specialiştilor).<br />
Implementarea acestor sisteme se face cu aparate analogice sau numerice.<br />
În sistemele analogice, transmiterea se face prin semnal unificat pneumatic sau<br />
electric, preponderent fiind cel electric. Implementarea cu aparatură numerică a<br />
conducerii centralizate prezintă avantajul posibilităţii de modificare a<br />
parametrilor de acord ai regulatoarelor pentru a optimiza funcţionarea instalaţiei,<br />
138
precum şi o urmărire selectivă a parametrilor din instalaţie. Traductoarele şi<br />
elementele de execuţie sunt însă comandate cu semnal electric analogic.<br />
Fig.5.8. Sistem de conducere centralizată<br />
Principalele dezavantaje ale acestor arhitecturi sunt date de traseele lungi<br />
de semnal mic şi de dependenţa sistemului de aparatura centrală (aparatele locale<br />
sunt complet dependente de comenzile venite de la centru, ele neputând lucra<br />
independent).<br />
Conducerea ierarhizată are o structură piramidală, în care primul nivel,<br />
realizat cu regulatoare distincte, asigură conducerea subproceselor, cu menţinerea<br />
regimurilor de funcţionare optime, atât timp cât sunt respectate restricţiile locale.<br />
Al doilea nivel, format din blocuri de automatizare, modifică restricţiile locale şi<br />
criteriile de performanţă ale regulatoarelor şi transmite informaţia la un calculator<br />
central. Nivelul ierarhic cel mai înalt coordonează nivelurile inferioare, pentru a<br />
optimiza întregul sistem.<br />
Conducerea distribuită combină avantajele arhitecturilor precedente,<br />
principiul pe care se bazează fiind cel al conlucrării: fiecare buclă de reglare<br />
lucrează independent dar comunică cu celelalte sisteme pentru a optimiza<br />
întreaga instalaţie. Tendinţa este ca reglarea să se facă local, prin bucle simple de<br />
reglare care comunică cu restul sistemului (Fig.5.9). Traductoarele de construcţie<br />
recentă sunt echipate cu un microsistem de calcul (de tip microprocesor) care<br />
realizează anumite funcţii, precum liniarizarea semnalului de ieşire.<br />
Integratorul sistemului de conducere este reţeaua de comunicaţie, care-l<br />
face să lucreze unitar. Aceasta face ca toate mărimile măsurate din instalaţie sau<br />
parametrii de reglare să fie accesibili pentru programe orare, estimarea tendinţei,<br />
afişare şi monitorizare în orice punct al reţelei. Sistemul de comunicaţie trebuie<br />
să fie capabil să transmită informaţia cerută automat, fără ca operatorul să fie<br />
obligat să modifice setările.<br />
139
Fig.5.9. Sistem de conducere distribuită<br />
Până recent, aproape toate sistemele de conducere numerice utilizau<br />
comunicaţia serială pe standardul RS 232, cu o viteză maximă de 9600 baud. Cu<br />
excepţia unor aplicaţii mici, o astfel de viteză este prea mică pentru conducerea<br />
distribuită. Reţelele de comunicaţie actuale realizează viteze de comunicaţie de<br />
ordinul megabaud, care îmbunătăţesc semnificativ performanţele sistemului de<br />
conducere.<br />
Sistemele distribuite de conducere necesită un limbaj de programare<br />
dedicat conducerii automate, care trebuie să asigure:<br />
- controlul automat al fiecărei mărimi din instalaţie, printr-un singur program,<br />
fără a intra în conflict cu alte module de control;<br />
- facilităţi de editare, de modificare a unui program de control al unei mărimi,<br />
precum şi de modificare rapidă a bazei de date;<br />
- funcţii matematice şi logice, calcule de optimizare;<br />
- posibilitatea de a da valori mărimilor din sistem, în cazul defectării unor<br />
traductoare;<br />
- afişarea în timp real a datelor şi graficelor de evoluţie şi de tendinţă.<br />
Schimbările majore tehnologice actuale sunt legate de comunicare, de la<br />
mass-media la reţelele de calculatoare, afectată fiind şi aparatura de automatizare.<br />
Acest impact a condus la elaborarea unui standard pentru o reţea dedicată<br />
automatizării clădirilor, numită BAC-Net, care a devenit ghid pentru producătorii<br />
de aparatură numerică de automatizare.<br />
V.2.2. Instalaţii de încălzire miniaturizate pentru interior<br />
Pentru asigurarea confortului termic, cu un consum cât mai mic de<br />
combustibil şi energie, în spaţiile în care se desfăşoară activităţi umane (locuinţe,<br />
birouri, etc.) se utilizează centralele termice miniaturizate pentru interior, care<br />
furnizează instantaneu apă caldă sanitară. Prepararea apei calde se face într-un<br />
schimbător de căldură cu serpentină de mare randament sau într-un boiler de<br />
acumulare de mare capacitate (tratat la interior împotriva coroziunii).<br />
140
Acestea sunt proiectate şi construite pentru a satisface nevoia tot mai<br />
accentuată de a reduce dimensiunile cazanului, acolo unde spaţiul disponibil este<br />
limitat. Cazanul asigură încălzirea apei la o temperatură mai mică decât<br />
temperatura de fierbere şi trebuie conectat la o reţea de încălzire şi la o reţea de<br />
apă sanitară, dimensionate corespunzător. Schema hidraulică a unei centrale<br />
termice, echipată cu schimbător de căldură cu serpentină, este prezentată în<br />
figura 5.10 [19,43,47].<br />
Grupul termic este dotat cu o cameră de ardere şi un schimbător bitermic,<br />
optimizate pentru realizarea unui transfer eficient de căldură, asigurând, în<br />
acelaşi timp, producţia de apă caldă şi necesarul de energie termică pentru<br />
încălzire, în condiţii unor randamente mai mari de 90% şi puteri termice utile de<br />
până la aprox. 30 kW. Vana cu trei căi are încorporat un regulator automat de<br />
debit, care asigură un debit constant de apă, indiferent de variaţiile presiunii de<br />
alimentare.<br />
1. – Electroventil de gaz;<br />
2. – Schimbător de căldură;<br />
3. – Filtru;<br />
4. – Ventil cu trei căi;<br />
5. – Arzător;<br />
6. – Schimbător primar;<br />
7. – Colector gaze de ardere;<br />
8. – Ventilator;<br />
9. – Ventil de aerisire;<br />
10. – Vas de expansiune;<br />
11. – Pompă de circulaţie;<br />
12. – Control funcţionare pompă;<br />
13. – Legătură by-pass;<br />
14. – Supapă de siguranţă (3 bar);<br />
15. – Manometru;<br />
16. – Robinet golire instalaţie;<br />
17. – Robinet umplere instalaţie.<br />
141<br />
Fig. 5.10. CT - ECOfast (Arca) - schema<br />
hidraulică<br />
Construcţiile recente au în componenţă un dispozitiv de modulare a<br />
flăcării, care adaptează continuu puterea la nevoile efective ale mediului ambiant.<br />
Sistemul de control al tirajului coşului verifică evacuarea corectă a gazelor arse,<br />
oprind funcţionarea cazanului în cazul ieşirii gazului în încăpere. Evacuarea şi<br />
aspirarea aerului, respectiv eliminarea gazelor de ardere este asigurată de un<br />
ventilator, montat pe colectorul de gaze de ardere. De asemenea, se întrerupe<br />
funcţionarea în cazul sesizării lipsei apei în circuitul de încălzire, pentru evitarea<br />
defectării grupului termic.<br />
În figura 5.11 se prezintă schema unei microcentrale pentru încălzire şi<br />
producere apă caldă de consum (ACC), echipată cu boiler, în care [43,47]:
1. - Ventil by – pass; 10. – Supapă de siguranţă;<br />
2. – Electroventil de gaz; 11. – Ventil cu trei căi servocomandat;<br />
3. – Vas de expansiune; 12. – Robinet golire;<br />
4. – Pompă de circulaţie; 13. – Presostat lipsă apă;<br />
5. - Control funcţionare pompă; 14. – Boiler;<br />
6. – Arzător; 15. – Robinet golire boiler;<br />
7. – Schimbător primar; 16. – Robinet umplere instalaţie;<br />
8. – Racord la coş; 17. - Supapă de siguranţă;<br />
9. – Ventil de aerisire; 18. – Termostat ACC.<br />
Fig.5.11. CT - Primavera, model CAB<br />
Microcentrala are focarul deschis, cu racordare la coşul de fum (evacuare<br />
prin tiraj natural), aerul de ardere fiind preluat din încăperea în care este montată.<br />
Cu prioritate faţă de încălzire, există posibilitatea de reglare a temperaturii dorite<br />
pentru ACC, prin intermediul unui termostat. În acest scop, (electro)ventilul cu<br />
trei căi, care asigură debitul caloric necesar încălzirii ACC, intră în funcţiune şi<br />
în cazul consumurilor mici de ACC. Sistemul de amestecare aer – combustibil<br />
asigură randamente de ardere de peste 97% şi emisii poluante reduse, iar<br />
configuraţia optimizată a camerei de ardere asigură randamente termice de peste<br />
90%.<br />
În figurile 5.12 şi 5.13 se prezintă schema unei instalaţii cu un circuit de<br />
încălzire şi un circuit de apă caldă menajeră, respectiv a unei instalaţii cu două<br />
circuite de încălzire şi un circuit de apă caldă menajeră.<br />
Semnificaţia simbolurilor (dată de producător - Junkers) în cele două<br />
scheme este următoarea [41]:<br />
Z – aparat de încălzire centrală; B – tehnica condensării, R – modulare, A – tiraj<br />
forţat, ACM – apă caldă menajeră, AR – apă rece, SB – sondă boiler, VE – vas<br />
de expansie, PB – pompă boiler, SS – supapă de sens, RI – robinete de izolare,<br />
142
D – display, PCI – pompă de circulaţie pentru încălzire, ST – sondă de tur,<br />
T – telecomandă, SE – sondă de exterior, PCI0/1 – pompă circuit de încălzire,<br />
PCP – pompă circulaţie primar, SH – sistem hidraulic, V3 – vană cu trei căi,<br />
LT – limitator de temperatură, PR – pompă recirculare ACM.<br />
Fig. 5.12. Sistem de încălzire Cerapur ZBR...A<br />
Fig.5.13. Sistem cu două circuite de încălzire, Cerapur ZBR...A<br />
143
Pentru automatizare, se evidenţiază modulele TA 270, pentru montarea în<br />
cascadă a mai multor centrale (max. 3), HSM, pentru comanda electronică a unei<br />
pompe de circulaţie, a unei pompe de boiler şi a unei pompe de circuit de<br />
încălzire şi HMM, pentru comanda electronică a unei vane cu trei căi şi a pompei<br />
pentru circuitul de încălzire corespunzător.<br />
În figura 5.14 se prezintă o instalaţie de încălzire (cu temperatura pe tur<br />
mai mare de 40 0 C), cu producerea ACM cu ajutorul unui boiler încălzit indirect,<br />
comandat de un dispozitiv de prioritate şi controlul temperaturii ambientale cu<br />
ajutorul unui termostat. La solicitarea serviciului de ACM, dispozitivul de<br />
prioritate porneşte arzătorul, porneşte pompa de circulaţie aflată pe circuitul de<br />
ACM şi opreşte funcţionarea pompei de pe circuitul de încălzire. Termostatul de<br />
ambianţă se montează, de regulă, în zona cea mai defavorizată termic şi<br />
realizează reglarea temperaturii în intervalul (5…30) 0 C. Boilerul se utilizează<br />
pentru prepararea şi stocarea ACM, are rezervorul din oţel şi dispune de un<br />
termometru şi o sondă de temperatură tip NTC (coeficient de temperatură<br />
negativ), pentru a putea fi cuplat la sistemul de automatizare.<br />
Fig.5.14. Sistem de încălzire Supraline<br />
În figura 5.15 se prezintă schema unei instalaţii de încălzire (cu<br />
temperatura pe tur mai mare de 40 0 C) cu două cazane în cascadă, cu producerea<br />
ACM cu ajutorul unui boiler încălzit indirect. Automatizarea este realizată cu<br />
ajutorul unui regulator electronic de temperatură cu sondă de exterior TA 122 E2<br />
şi cu telecomandă TW2, pentru ajustarea parametrilor de la distanţă.<br />
La simbolizarea anterioară (Junkers [41]) se adaugă: SSI – supapă de siguranţă,<br />
CC – cazan condus, CCR – cazan conducător.<br />
144
Fig.5.15. Sistem de încălzire în cascadă Supraline<br />
Echipamentele de automatizare montate în centralele termice includ:<br />
- echipamente pentru supravegherea şi asigurarea arderii combustibilului<br />
în condiţii optime şi cu randament ridicat;<br />
- sistemul de control al vanei cu trei căi, pentru menţinerea constantă a<br />
temperaturii pe tur;<br />
- controlul sistemului de pompe al agentului primar, pentru asigurarea<br />
diferenţei de presiune;<br />
- sistemul de control al schimbătorului în contracurent, pentru menţinerea<br />
constantă a temperaturii apei calde menajere;<br />
- sistemul de control al încărcării rezervoarelor de apă caldă;<br />
- sistemul de control al deservirii echilibrate a consumatorilor;<br />
- echipamente pentru monitorizarea parametrilor de funcţionare şi a<br />
situaţiilor limită (avarie).<br />
Echiparea centralelor termice cu sisteme cu microprocesor asigură<br />
avantaje legate de cost, flexibilitate, comunicaţie şi o serie de facilităţi, între care:<br />
- termoreglare cu sondă externă a funcţiei de încălzire;<br />
- stabilirea pantei de termoreglare;<br />
- temporizarea opririi încălzirii;<br />
- reglarea temperaturii apei calde;<br />
- aprindere electronică;<br />
- protecţie antiîngheţ;<br />
145
- resetare avarie;<br />
- comandă de la distanţă;<br />
- programare orară şi săptămânală;<br />
- funcţii de autodiagnosticare:<br />
- lipsa aprinderii;<br />
- lipsa circulaţiei apei;<br />
- supratemperatura circuitului primar;<br />
- nefuncţionarea traductorului de temp. pe circuitul primar;<br />
- nefuncţionarea sondei de temperatură sanitară;<br />
- supratemperatura circuitului sanitar;<br />
- lipsa evacuării gazelor.<br />
V.3. Sisteme de încălzire electrică<br />
Din punct de vedere tehnic, utilizarea energiei electrice pentru încălzirea<br />
spaţiilor de locuit şi a spaţiilor comerciale de dimensiuni mici, a devenit -<br />
conform statisticilor - o soluţie foarte agreată datorită multiplelor avantaje în<br />
raport cu celelalte sisteme de încălzire bazate pe folosirea combustibililor clasici.<br />
Energia electrică poate răspunde competitiv atât cerinţelor tehnice cât şi<br />
economice, în sprijinul ideii de utilizare pe scară largă menţionându-se:<br />
- randament real de aproape 100%;<br />
- funcţionare silenţioasă şi sigură;<br />
- automatizări şi reglaje cu comenzi simple, dar performante;<br />
- posibilitatea de montare fără a realiza lucrări suplimentare;<br />
- faţă de o centrală care utilizează combustibil gazos se elimină proiectul şi<br />
montajul conductelor de gaze;<br />
- eliminarea surselor termice şi odată cu ele şi a produselor secundare ale<br />
combustiei (gaze nocive, poluanţi);<br />
- simplitatea operaţiilor de exploatare;<br />
- contorizarea riguroasă a consumurilor individuale.<br />
Încălzirea electrică directă este realizată, în general, cu ajutorul<br />
convectoarelor sau panourilor radiante, căldura produsă de o rezistenţă electrică<br />
fiind transferată instantaneu încăperii prin radiaţie şi convecţie. Aparatele<br />
electrice de încălzire directă se clasifică, după raportul dintre fluxul radiant şi cel<br />
convectiv, după temperatura suprafeţei încălzitoare şi după modul şi locul de<br />
montare, astfel: convectoare de perete, de pardoseală, radiatoare electrice,<br />
radianţi luminoşi şi în infraroşu, aeroterme, etc.<br />
Reglarea acestora se realizează cu ajutorul unui termostat încorporat în<br />
aparatul electric de încălzire sau montat pe circuitul electric de alimentare al<br />
aparatului, pentru puteri 2 kW. Dacă se utilizează două sau mai multe aparate<br />
de încălzire în aceeaşi încăpere, reglarea acestora se face cu un singur termostat<br />
de cameră. Într-o clădire în care încăperile nu se utilizează în aceeaşi măsură se<br />
impune necesitatea de a modifica temperatura în fiecare cameră, în funcţie de<br />
destinaţie şi orarul zilnic, folosind un regulator central.<br />
Încălzirea electrică centralizată foloseşte ca agent termic aerul sau apa şi<br />
se utilizează în spaţiile în care nu se poate aplica un sistem de încălzire clasic sau<br />
la care sistemul clasic se dovedeşte neeconomic.<br />
146
În figura 5.16 se prezintă schema de încălzire electrică realizată cu<br />
minicazanul electric Laing, alimentat la 220 V, 50 Hz, cu următoarele<br />
componente [19,47]:<br />
1 – placă suport; 6 – vas de expansiune;<br />
2 – minicazan electric; 7 – robinet de golire<br />
3 – supapa de siguranţă; 8 – colector cu trei circuite;<br />
4 – dezaerator automat; 9 – distribuitor cu trei circuite;<br />
5 – termomanometru; 10 – corpuri de încălzire cu aerisire.<br />
Fig.5.16. Schema de încălzire electrică Laing<br />
Instalaţia are o construcţie compactă, constituită din următoarele<br />
componente, distribuite pe verticală, de la partea inferioară spre partea<br />
superioară:<br />
- pompa de circulaţie cu motor;<br />
- tub din oţel inoxidabil, cu rezistenţele de încălzire;<br />
- limitatoare de protecţie la supratemperatură;<br />
blocul de automatizare şi reglare.<br />
Rezistenţele electrice (2…15 kW) sunt comandate în funcţie de necesarul<br />
de căldură, pentru încălzirea spaţiilor de 20…80 m 2 , ceea ce asigură un consum<br />
optim, funcţionare silenţioasă şi fiabilitate ridicată.<br />
Pentru încălzirea spaţiilor industriale cu volum mare, utilizarea variantei<br />
de încălzire electrică prezintă câteva avantaje importante faţă de alte soluţii, între<br />
care:<br />
- comanda flexibilă;<br />
- monitorizarea consumului de energie;<br />
- monitorizarea stării de funcţionare.<br />
Sistemul de încălzire cu aer, prezentat în figura 5.17 se compune din mai<br />
multe subsisteme distribuite în volumul care trebuie încălzit, fiecare subsistem<br />
având în componenţă [47]:<br />
- element de încălzire cu coeficient de temperatură pozitiv;<br />
- ventilator antrenat de un motor electric;<br />
- bloc de comandă a vitezei motorului de antrenare (BC);<br />
- traductor de temperatură.<br />
147
Fig.5.17. Schema sistemului de încălzire<br />
Puterea electrică a elementului de încălzire poate fi reglată. Debitul de aer<br />
vehiculat de ventilator pot fi modificat prin reglarea turaţiei motorului de<br />
antrenare, prin intermediul unui convertor static, care modifică valoarea medie a<br />
tensiunii de alimentare a motorului. Comanda turaţiei motoarelor este asigurată<br />
centralizat de o arhitectură cu microcontroler (automat programabil). În funcţie<br />
de temperatura măsurată şi de temperatura impusă, acesta ia decizia de creştere<br />
sau scădere a turaţiei ventilatorului, respectiv de creştere sau scădere a puterii<br />
disipate de fiecare element de încălzire. Automatul asigură şi cuplarea/decuplarea<br />
de la reţeaua electrică a elementelor de încălzire (prin contactorul C),<br />
monitorizarea timpului de funcţionare şi a stării fiecărui subsistem.<br />
V.4. Sisteme de încălzire solară<br />
Procesul de captare şi conversie a radiaţiei solare în căldură a făcut<br />
obiectul unor programe de cercetare desfăşurate în diverse ţări: SUA, Franţa,<br />
Germania, etc. În România s-au efectuat cercetări în domeniu la ICPET,<br />
ICEMENERG, INCERC Bucureşti, Facultatea de Instalaţii a UTCB şi s-au<br />
concretizat prin obiective concrete precum casa solară de la Neptun, casa solară<br />
CS 2 Câmpina, casa solară CS 3 Bucureşti, etc.<br />
Pe plan mondial, preocupările pentru valorificarea energiei solare sunt<br />
reprezentate de obiective ca: instalaţii pentru prepararea apei calde menajere<br />
(ACM), instalaţii pentru încălzire, instalaţii pentru desalinizarea apei, instalaţii de<br />
răcire şi de uscare, sisteme de apă caldă pentru industrie şi agricultură, avioane<br />
solare, automobile autonome solare, centrale solare spaţiale, etc.<br />
În condiţiile în care problematica energetică creşte în importanţă, iar<br />
protecţia mediului a devenit o cerinţă a societăţii, s-au intensificat şi eforturile în<br />
direcţia dezvoltării tehnologiilor de valorificare a energiilor neconvenţionale.<br />
După un declin datorat tehnologiilor greoaie, a costurilor ridicate pentru<br />
materiale, exploatare şi întreţinere, activitatea în domeniul dezvoltării şi<br />
148
perfecţionării tehnologiilor de captare şi valorificare a radiaţiei solare cunoaşte<br />
un reviriment, datorită avantajelor evidente pe care le oferă:<br />
- soarele este o sursă de energie nepoluantă şi inepuizabilă;<br />
- este o sursă de energie dispersă, ceea ce permite utilizarea, prin<br />
conversii în alte forme de energie, direct la locul de consum,<br />
eliminându-se transportul la distanţă;<br />
- energia solară poate fi transformată în alte forme de energie (termică,<br />
electrică, mecanică, chimică) cu ajutorul captatoarelor;<br />
- captatoarele pot fi executate în variante constructive simple sau mai<br />
complexe, forma, tipul şi mărimea acestor dispozitive depinzând de<br />
energia nou creată.<br />
Din punct de vedere energetic, partea cea mai importantă a energiei solare<br />
din afara atmosferei se găseşte în intervalul spectral 0,20…3,0 m. În acest<br />
interval este emisă aproximativ 97% din energia totală, diferenţa de 3% fiind<br />
emisă în banda de emisie de 10 -1 …10 3 m. Radiaţia solară la suprafaţa pământului<br />
(constanta solară) reprezintă energia termică ce este primită de o suprafaţă<br />
normală (plasată perpendicular pe direcţia razelor solare) situată la limita<br />
atmosferei terestre [19,47].<br />
Valoarea constantei solare (1,355kW/m 2 ) se modifică datorită variaţiei<br />
periodice a distanţei Pământ – Soare şi datorită fenomenelor solare, fiind<br />
influenţată şi de modificarea unghiului de înălţime a soarelui, a înclinării axei<br />
pământului şi de latitudinea geografică. De exemplu, pentru latitudinea<br />
geografică din zona României, radiaţia globală în condiţii normale este de maxim<br />
1000 W/m 2 , iar media zilelor însorite pe an este de 310. Cu ajutorul captatorilor<br />
plani montaţi la un unghi de 45 0 , poate fi captată până la 75% din radiaţia solară.<br />
Fluxul de energie radiat de soare care ajunge la suprafaţa pământului este<br />
mai mic decât constanta solară, deoarece, radiaţia solară care străbate masa<br />
atmosferică (peste 8 km) este redusă ca urmare a disipărilor de energie.<br />
Atmosfera modifică intensitatea, distribuţia spectrală şi spaţială a radiaţiei, prin<br />
absorbţie şi difuzie. Radiaţia globală primită de la soare, de o suprafaţă orizontală<br />
la nivelul solului, pentru o zi senină, se compune din radiaţia directă (dependentă<br />
de orientarea suprafeţei receptoare) şi radiaţia difuzată (considerată aceeaşi,<br />
indiferent de orientare).<br />
Pentru problemele legate de utilizarea energiei solare sunt necesare două<br />
date meteorologice importante: intensitatea de radiaţie şi durata de insolaţie, pe<br />
baza cărora se calculează intensitatea radiaţiei solare efective pe diferite<br />
suprafeţe. Datele centralizate referitoare la durata medie de strălucire a soarelui<br />
sunt furnizate de Institutul Naţional de Meteorologie şi Hidrologie.<br />
Analiza oportunităţii folosirii instalaţiilor solare de încălzire se face pe<br />
baza unor factori ca: sarcina de încălzire, energia solară disponibilă, costul şi<br />
durata de recuperare a investiţiilor, etc. Aceste sisteme de încălzire pot fi pasive<br />
sau active. În prima situaţie, încălzirea spaţiilor se face în mod natural, fără<br />
intervenţia unui mijloc mecanic care să producă circulaţia unui agent termic<br />
(aer). Sistemele active presupun existenţa unor echipamente mecanice care să<br />
producă circulaţia agentului termic (apă sau aer).<br />
149
În prezent, în tehnica instalaţiilor solare de încălzire şi preparare ACM, se<br />
foloseşte o mare gamă de captatori solari, pentru care producătorii furnizează<br />
datele tehnice necesare. Aceştia transformă radiaţia solară în energie termică, pe<br />
care o cedează mediului de transport (agent termic) şi trebuie amplasaţi astfel<br />
încât eficienţa captării să fie maximă. Fiind elemente exterioare ale instalaţiei,<br />
trebuie să îndeplinească şi condiţii de rezistenţă, stabilitate şi estetică.<br />
Pentru captatorul plan din figura 5.18, pe suprafaţa absorbantă (ex. tablă<br />
din cupru vopsită în negru) cade radiaţia solară directă şi difuză, care se<br />
transformă în căldură, suprafaţa de absorbţie încălzindu-se.<br />
Fig.5.18. Captatorul plan<br />
Pentru transferul căldurii obţinute către consumator, se foloseşte un agent<br />
termic (apă, aer) care circulă prin canalele realizate în şi pe suprafaţa de<br />
absorbţie. Ca în toate procesele de transformare, transfer şi transport de căldură,<br />
intervin pierderi de căldură prin radiaţie, convecţie şi conducţie. Pentru reducerea<br />
acestora, suprafaţa absorbantă se montează într-o carcasă închisă pe toate laturile<br />
şi izolată termic, iar faţa captatorului este închisă cu un material transparent.<br />
Între aportul de radiaţie solară şi necesarul de căldură există diferenţe (ex.<br />
variaţia orară a consumului de ACM, variaţia necesarului de căldură pentru<br />
încălzire), astfel că acumulatorul compensează variaţiile naturale ale radiaţiei<br />
solare şi variaţiile de energie cedată de către captatorul solar mediului de<br />
transport. Acumulatorul stochează energia termică în momentul în care nu există<br />
consum sau consumul este redus şi o pune la dispoziţia consumatorului când<br />
radiaţia solară este redusă. Pentru sistemele de preparare a apei calde menajere,<br />
acumulatorul poate fi un boiler bine izolat termic, iar la sistemele de încălzire<br />
acesta poate fi un recipient deschis, izolat corespunzător.<br />
Soluţiile tehnice pentru prepararea ACM sunt reprezentate de instalaţii cu<br />
circulaţie naturală sau forţată (pompă de circulaţie pe circuitul agentului termic).<br />
Pentru prepararea ACM la temperatura de 45 0 C, considerând temperatura apei<br />
reci de 10 0 C, temperatura apei trebuie ridicată cu 35 0 C, astfel că suprafaţa<br />
absorbantă a captatorului solar trebuie să ajungă la temperatura de 50…70 0 C.<br />
Sistemele de preparare a apei calde de consum rămân în funcţiune şi în sezonul<br />
rece, asigurând parţial sarcina termică necesară. Pentru un consum de 50l/om zi<br />
este necesară o suprafaţă a captatorului de aprox. 1,5 m 2 , care poate acoperi, în<br />
perioada de vară, necesarul de ACM în proporţie de 90…100%.<br />
150
Conversia şi utilizarea energiei solare implică probleme complexe legate<br />
de construcţia şi amplasamentul captatorilor, de integrarea sistemului solar în<br />
instalaţie şi de automatizare a sistemului. Utilizarea energiei solare sub formă de<br />
energie termică nu poate fi separată de problema stocării acestei energii.<br />
Instalaţia de conversie a energiei solare în energie termică are în<br />
componenţă (Fig.5.19):<br />
- captatorul solar;<br />
- dispozitive de stocare a căldurii solare;<br />
- reţea de conducte pentru transportul şi distribuţia căldurii solare la<br />
consumator;<br />
- elemente de automatizare a întregului proces de producere, stocare,<br />
transport şi distribuţie a căldurii solare;<br />
- aparatură şi dispozitive de siguranţă.<br />
Fig.5.19. Schema de principiu a unui sistem de încălzire solar<br />
Sistemele solare implementate în instalaţiile pentru clădiri au performanţe<br />
ridicate, rezultând economii considerabile ale consumurilor de combustibili.<br />
V.5. Sisteme de încălzire cu apă geotermală<br />
Existenţa energiei acumulate în scoarţa terestră este pusă în evidenţă prin<br />
creşterea progresivă a temperaturii solului cu adâncimea, pe verticala fiecărui<br />
punct. În cazul în care o anumită structură geologică conţine apă, aceasta ia<br />
temperatura rocilor în care este depozitată, existând premisele valorificării<br />
energiei geotermale [19,47].<br />
În figura 5.20 se evidenţiază următoarele procese importante:<br />
- prin puţul de exploatare se realizează extragerea energiei interne a<br />
sistemului prin apa geotermală de temperatură ridicată;<br />
- prin puţul de repompare se introduce apa geotermală de temperatură<br />
redusă ce conduce la creşterea energiei interne a sistemului;<br />
- apa geotermală extrasă cedează, la presiune constantă, o parte a energiei<br />
termice prin conducţie şi convecţie spre utilizatori.<br />
Curgerea apei geotermale la adâncimi mari (în straturile acvifere) are o<br />
viteză redusă, este continuă şi poate fi considerată în regim laminar,<br />
bidimensional şi staţionar.<br />
151
Fig.5.20. Schema de principiu a unui sistem de încălzire cu apă geotermală<br />
Ciclul extracţie - valorificare - repompare - curgere subterană - extracţie<br />
poate fi menţinut economic dacă proprietăţile fizico-chimice ale apei geotermale<br />
nu fac posibilă apariţia unor interacţiuni de natură fizică, chimică sau hidraulică<br />
între apă şi stratul de acumulare.<br />
Procesul de repompare presupune îndeplinirea următoarelor condiţii:<br />
- apa geotermală extrasă trebuie repompată în stratul de extracţie (asigurarea<br />
unui circuit închis);<br />
- apa repompată trebuie să aibă aceeaşi compoziţie chimică cu apa extrasă<br />
(conservarea calităţii);<br />
- debitul apei repompate să fie pe cât posibil constant.<br />
Prin utilizarea pompelor submersibile se asigură:<br />
- realizarea unui reglaj calitativ eficient;<br />
- obţinerea unor debite superioare exploatării naturale;<br />
- ridicarea temperaturii apei extrase cu 5…8°C, datorită creşterii debitului.<br />
Utilizarea eficientă a energiei geotermale la alimentarea cu căldură a<br />
consumatorilor impune:<br />
- cunoaşterea parametrilor de exploatare a sursei pe baza unui studiu şi<br />
garantarea parametrilor: debit, temperatură, compoziţie chimică;<br />
- asigurarea unei bune corelări între amplasamentul sursei şi consumatorii de<br />
căldură;<br />
- asigurarea unei durate anuale de funcţionare cât mai ridicate.<br />
Pentru dezvoltarea şi îmbunătăţirea acestor sisteme trebuie rezolvată<br />
problema repompării apei uzate, păstrarea rezervei de apă şi a presiunii în stratul<br />
de bază. Prin utilizarea unor schimbătoare de căldură la suprafaţă şi repomparea<br />
apei uzate, se obţine un circuit închis, deoarece stratul de apă de mare adâncime<br />
poate fi considerat închis din punct de vedere hidrodinamic, datorita curgerii apei<br />
cu o viteză foarte mică.<br />
Valorificarea energetică a resurselor geotermale şi realizarea unui sistem<br />
de alimentare cu căldură sunt condiţionate de existenţa consumatorilor de căldură<br />
152
în zona de resurse. În funcţie de mărimea acestor consumatori şi de densitatea<br />
sarcinii termice de încălzire, sistemele de alimentare pot fi locale sau centralizate.<br />
Pentru valorificarea termică eficientă se adoptă următoarele domenii de<br />
utilizare, în funcţie de nivelul de temperatură al apei geotermale:<br />
1). T=30…50 0 C<br />
- încălzire solarii;<br />
- încălzire şi preparare apă caldă de consum cu pompe de căldură;<br />
- preparare apă caldă de consum menajer sau tehnologic cu pompe de<br />
căldură.<br />
2). T=50…80 0 C<br />
- încălzire şi preparare apă caldă de consum, prin asociere cu o centrală<br />
termică de vârf pentru consumatori civili şi industriali;<br />
- preparare de apă caldă de consum menajer sau tehnologic.<br />
3). T>80 0 C<br />
- încălzire şi preparare apă caldă de consum, prin asociere cu o centrală<br />
termică de vârf pentru consumatori civili şi industriali;<br />
- încălzire în procese tehnologice de uscare;<br />
- preparare apă caldă de consum tehnologic.<br />
În România, există sonde în exploatare în sistemele hidrogeotermale<br />
Oradea, Crişul Negru-Someş, Mureş-Crişul Negru, Cozia-Căciulata, Borş,<br />
Bucureşti Nord-Otopeni.<br />
V.6. Sisteme de încălzire cu pompe de căldură<br />
Ameliorarea eficacităţii proceselor energetice sau industriale se realizează,<br />
în mare măsură, prin introducerea în circuitul energetic a surselor secundare care<br />
apar şi se dezvoltă simultan cu aceste procese. Pompa de căldură este o instalaţie<br />
termică care preia căldura de la un izvor de căldură cu un potenţial termic scăzut<br />
şi o cedează unui consumator, la un potenţial termic mai ridicat, consumând în<br />
acest scop o energie de acţionare. Cele mai multe aplicaţii utilizează instalaţia cu<br />
compresie mecanică, acţionată electric sau termic, respectiv instalaţia cu<br />
absorbţie şi – mai rar - ejecţie.<br />
Izvorul pompei trebuie corelat cu consumatorul adecvat, din punct de<br />
vedere al temperaturilor sursei reci şi calde şi poate fi:<br />
- aerul (atmosferic, evacuat din incinte climatizate, gaze de ardere, etc.);<br />
- apa (de suprafaţă, subterană, geotermală, tehnologică);<br />
- solul (pământul, deşeuri menajere).<br />
Pompele de căldură se pot utiliza pentru încălzirea unor spaţii, pentru<br />
prepararea apei calde de consum, pentru diverse procese tehnologice (uscare,<br />
distilare). Instalaţiile de încălzire pot utiliza pompe de căldură aer-aer, aer-apă,<br />
apă-aer, apă-apă, sol-aer, sol-apă, producători consacraţi fiind Airwell, Sampo,<br />
Ciat, Carrier, York, etc.<br />
V.7. Sisteme de încălzire cu abur de joasă presiune<br />
Acestea sunt instalaţii închise, utilizând ca agent termic aburul saturat cu<br />
presiunea maximă de 1,7 bar. Funcţionare lor se bazează pe utilizarea vaporilor<br />
de apă ca agent termic transportor. Sarcina termică necesară la consumator se<br />
153
obţine din transformarea unui anumit debit de abur în condensat şi preluarea<br />
căldurii latente de vaporizare. Sarcina termică transportată de un debit de abur<br />
este proporţională cu debitul de fluid şi cu căldura latentă de vaporizare, la<br />
presiunea de regim a instalaţiei. Caracteristicile termofizice ale aburului saturat la<br />
diferite presiuni sunt date tabelar [35].<br />
Instalaţiile care utilizează aburul de presiune joasă ca agent termic, conţin<br />
următoarele componente: sursa termică – generatoare de abur, sisteme de<br />
conducte pentru distribuţia la consumatori, sisteme de conducte pentru preluarea<br />
condensatului de la consumatori, corpuri de încălzire, sisteme de siguranţă,<br />
sisteme de reglare şi control, accesorii.<br />
V.8. Sisteme de încălzire cu aer cald<br />
Deşi utilizează ca agent termic aerul, instalaţiile de încălzire cu aer cald nu<br />
trebuie asimilate sistemelor de ventilare, scopul lor fiind diferit. În sistemele cu<br />
aer cald, agentul termic este utilizat direct de consumator, fără un schimbător de<br />
căldură intermediar. Sunt folosite pe scară largă în sectorul industrial, în<br />
organizările de şantier, spaţii cu destinaţie provizorie, spaţii în care pot fi<br />
combinate cu alte tipuri de încălzire, pentru asigurarea confortului termic local.<br />
În cazul consumatorilor casnici, încălzirea cu aer cald este de tip local şi devine<br />
atractivă pe măsură ce performanţele tehnologice ale echipamentelor conduc la<br />
reducerea zgomotelor şi la o distribuţie uniformă a aerului în încăperi.<br />
Sursele de energie care încălzesc aerul pot fi:<br />
- agregate cu focar propriu;<br />
- aeroterme;<br />
- dispozitive multifuncţionale.<br />
V.9. Sisteme de încălzire prin radiaţie<br />
Sistemele de încălzire prin radiaţie se folosesc în clădiri civile, în încăperi<br />
cu cerinţe igienice şi de confort deosebite, în clădirile industriale cu spaţii mari şi<br />
fără necesităţi de ventilaţie mecanică, în spaţii semideschise sau deschise.<br />
Acestea se caracterizează prin faptul că suprafeţele încălzitoare cedează<br />
căldură prin radiaţie mai mult de 50% din căldura totală. În raport cu temperatura<br />
medie a suprafeţei încălzitoare, încălzirea prin radiaţie poate fi [19]:<br />
- de temperatură joasă (25…100 0 C);<br />
- de temperatură medie (100…500 0 C);<br />
- de temperatură înaltă (500…3000 0 C).<br />
În categoria sistemelor de încălzire prin radiaţie intră panourile radiante<br />
(radiant electric, cu gaze, tuburi radiante metalice, tuburi din cuarţ, etc.), în<br />
infraroşu (cu lungime de undă scurtă, medie şi lungă).<br />
V.10. Sisteme de încălzire locală<br />
Acestea sunt cele mai simple deoarece cuprind în ansamblul lor atât sursa<br />
termică cât şi suprafaţa de încălzire. Se utilizează la clădiri mici cu maximum 3,<br />
4 niveluri, complexe de clădiri mici dispersate, clădiri cu caracter sezonier.<br />
Încălzirea locală prezintă o serie de avantaje (cost de investiţii redus, folosirea<br />
tuturor categoriilor de combustibili gazoşi, lichizi, solizi, instalare rapidă,<br />
154
exploatare uşoară), şi dezavantaje (suprafeţe încălzitoare de dimensiuni mari,<br />
randamente termice reduse).<br />
În categoria sistemelor de încălzire locală intră sobele cu sau fără<br />
acumulare de căldură, sobe cu arderea combustibilului solid, lichid sau gazos,<br />
sobe metalice sau din zidărie, etc.<br />
***<br />
În Anexa 2 sunt prezentate principalele Acte normative şi standarde<br />
referitoare la proiectarea, executarea şi exploatarea sistemelor şi instalaţiilor de<br />
încălzire [42].<br />
V.11. Consideraţii privind eficienţa energetică la producere<br />
Cartea verde privind securitatea energetică, adoptată în noiembrie 2000,<br />
prevede patru principii:<br />
- securitatea surselor de energie;<br />
- asigurarea pieţei unice de energie;<br />
- responsabilitatea protecţiei mediului;<br />
- promovarea surselor alternative şi regenerabile.<br />
Conform Raportului “Căldura 2004 – 2006”, în structura tehnologică de<br />
producere a energiei electrice şi termice, pe plan mondial şi cu deosebire în UE,<br />
se constată următoarele tendinţe şi/sau factori de restricţie [48]:<br />
- schimbări în structura şi ponderea diferitelor surse primare de<br />
combustibili fosili;<br />
- creşterea ponderii utilizării surselor alternative sau regenerabile de<br />
combustibil;<br />
- înăsprirea reglementărilor privind protecţia mediului;<br />
- creşterea ponderii instalaţiilor de cogenerare şi în special a celor de<br />
dimensiuni mici şi mijlocii;<br />
- utilizarea ciclului combinat în sistemele de cogenerare;<br />
- creşterea ponderii pe piaţă a sistemelor de încălzire centralizată şi în<br />
cadrul acestora creşterea ponderii surselor de energie cu structura în cogenerare;<br />
- creşterea caracterului descentralizat (la producere) al sistemului<br />
energetic;<br />
- reducerea ponderii utilizării cărbunelui inferior drept sursă energetică<br />
primară, corelată cu introducerea tehnologiei de gazeificare şi utilizarea<br />
turbinelor de gaze sau a motoarelor termice.<br />
Toate aceste tendinţe sunt consecinţa eficientizării producerii energiei în<br />
condiţii de protecţie sporită a mediului, adică a concepţiei generale de dezvoltare<br />
durabilă.<br />
Consumul de energie al UE, de peste 17 milioane Gcal în 2002, a avut ca<br />
surse primare: petrolul 43%, gazul natural 23% şi cărbunele 13%. Ponderea<br />
cărbunelui a scăzut de două ori în ultima decadă şi se aşteaptă scăderi ulterioare,<br />
datorită aplicării Directivei nr. 80/2001 privitoare la protecţia mediului. În<br />
aceeaşi perioadă, consumul de energie produsă din surse alternative sau<br />
regenerabile a crescut semnificativ.<br />
Energia hidro a crescut, în ultima decadă, cu 27%, ajungând la 5% din<br />
totalul energiei. Energia din surse regenerabile (geotermică, biomasă, solară,<br />
155
eoliană) a crescut de 4 ori. Cea eoliană a făcut un salt spectaculos, UE deţinând<br />
în prezent o capacitate instalată de peste 25.000 MW, estimându-se pentru anul<br />
2010, peste 75.000 MW.<br />
Soluţia pentru o energie ieftină şi relativ curată pentru sistemele de<br />
încălzire centralizată este obţinerea ei în instalaţii cu structura în cogenerare,<br />
indiferent de sursa de combustibil. Ponderea sistemelor de cogenerare în totalul<br />
producţiei de energie electrică, în câteva ţări europene, în anul 1999, este<br />
prezentată în Tabelul 5.1 [48].<br />
Tabelul 5.1<br />
Media UE xxxxxxxx<br />
Suedia xx<br />
Spania xxx<br />
Portugalia xxxx<br />
Polonia xxx<br />
Olanda xxxxxxxx<br />
Italia x xxx<br />
Germania xxxxxxxx xxx<br />
Finlanda xxx xxx<br />
Danemarca xxxxxx<br />
Austria xxx<br />
Anglia xx xxx<br />
10% 20% 30% 40% 50%<br />
xxx - Obiectiv pentru 2010<br />
Conform aceluiaşi raport, energia totală produsă în România, în anul<br />
2002, a fost de circa 0,3 milioane Gcal şi cea consumată de 0,4 milioane Gcal.<br />
Rezervele de tiţei ale României, la nivelul anului 2004, se ridică la 1,6 milioane<br />
barili, cu o producţie de circa 120.000 barili/zi, iar consumul de tiţei pentru anul<br />
2010 se estimează la circa 310.000 barili/zi [48].<br />
Rezervele de gaz natural sunt estimate la 350 miliarde Nm 3 , suficiente<br />
doar pentru 25 ani la consumul actual. Pentru anul 2010 se estimează un consum<br />
de 21 miliarde Nm 3 (din care doar 8 miliarde Nm 3 din surse interne), iar pentru<br />
producerea de energie, se estimează un consum de 4 miliarde Nm 3 .<br />
Rezervele estimate de cărbune sunt de circa 4 miliarde tone, majoritatea<br />
fiind rezerve de lignit de calitate inferioară, iar producţia anuală este de circa<br />
25 – 30 milioane tone.<br />
Potenţialul hidroenergetic al ţării este de circa 10.000 MW (luând în calcul<br />
şi amenajările mici şi medii), în prezent fiind făcute amenajări doar pentru 20%<br />
din potenţial.<br />
Pentru sistemele de termoficare, în România se estimează un necesar anual<br />
de 30 milioane Gcal, (în prezent sunt circa 2,1 milioane de consumatori<br />
individuali). De asemenea, se estimează că peste 75% din totalul de energie se va<br />
produce în instalaţii de cogenerare, restul fiind preluat din instalaţii ce produc<br />
numai energie termică. Cantitatea de 75% din energia termică necesară<br />
156
sistemelor de termoficare, la nivelul ţării, produsă prin instalaţii de cogenerare<br />
asigură şi o cantitate adiţională de 10 milioane MWh/an.<br />
Conceptul de energie durabilă sau curată, se referă la surse regenerabile.<br />
Spre deosebire de combustibilii fosili (rezerve limitate) acestea sunt practic<br />
inepuizabile şi nu emit poluanţi în atmosferă.<br />
Sursele regenerabile includ: energia eoliană, energia solară, utilizarea<br />
biomasei, energia hidro.<br />
În România, producţia energiei eoliene are condiţii favorabile. Astfel, se<br />
prevede realizarea, până în anul 2010, a unei capacităţi de 550 MW, cu o<br />
dezvoltare pe termen lung de până la 3000 MW. Viteza medie a vântului pe<br />
coasta Mării Negre, platoul Dobrogei şi sudul Moldovei este între 5–7 m/s. O<br />
instalaţie eoliană cu o capacitate de 600 KW, la aceste viteze, ar asigura o<br />
producţie anuală de 0,5 GWh.<br />
Radiaţia solară, în regiunile rurale ale României, variază între 5 – 6<br />
KWh/m 2 zi, vara şi 0,6 – 1,2 KWh/m 2 zi, iarna. Realizarea încălzirii prin utilizarea<br />
energiei solare este cea mai eficientă. Colectoarele de încălzire convertesc<br />
25 – 40% din energia radiantă în căldură. În prezent, în România, aria de<br />
colectare utilizată nu depăşeşte 0,045% din cea potenţial posibilă.<br />
Biomasa (plante cu creştere rapidă, reziduuri agricole, reziduuri de lemn)<br />
poate fi o sursă de energie curată şi ieftină, cu utilizare mai ales în zone rurale<br />
compacte, chiar în structuri de cogenerare.<br />
157