129

AUTOMATIZAREA SISTEMELOR ŞI INSTALAŢIILOR DE ÎNCĂLZIRE

V.1. Aspecte generale Sistemele de încălzire sunt unităţi termice de producere a căldurii în

scopuri tehnologice sau menajere. Rolul acestora se referă la proiectarea şi realizarea de soluţii moderne şi eficiente pentru: - menţinerea în încăperi a unei temperaturi cât mai uniforme, situată în jurul

valorii cerute, atât în plan orizontal cât şi în plan vertical; - reglarea temperaturii interioare în funcţie de necesităţi, ţinând seama de

inerţia termică a elementelor de construcţie; - menţinerea temperaturii suprafeţelor elementelor de construcţii astfel încât să

se evite fenomenul de radiaţie rece şi fenomenul de condensare a vaporilor de apă pe suprafaţa acestor elemente;

- încălzirea fără poluarea aerului din încăperi şi fără poluarea mediului; - încălzirea fără curenţi perturbatori ai aerului din încăperi; - asigurarea de soluţii eficiente şi economice din punct de vedere al instalaţiilor

şi al exploatării. Pentru aprecierea unei instalaţii de încălzire se defineşte un set de cerinţe,

de importanţă diferită. Astfel, confortul termic (apreciat prin temperatura interioară a aerului) trebuie îndeplinit cu prioritate, apoi stabilitatea şi uniformitatea temperaturii interioare a aerului, temperatura interioară rezultată, ecartul de temperatură pe verticală, indicele global de confort termic, viteza curenţilor de aer şi umiditatea relativă a aerului.

Adaptarea la utilizarea şi economia de energie sunt, de asemenea, exigenţe prioritare, pentru care se asigură: stabilitatea hidraulică a reţelei, măsuri pentru reglarea sarcinii termice în funcţie de parametri climatici exteriori, aparatură de măsură şi control pentru cunoaşterea parametrilor instalaţiei de încălzire, condiţii speciale pentru extinderi, funcţionare parţială, avarii.

De asemenea, au o importanţă majoră siguranţa în exploatare, siguranţa la foc, rezistenţa şi stabilitatea, etanşeitatea, igiena, sănătatea şi protecţia mediului, confortul acustic, vizual şi tactil, economicitatea. Instalaţiile de încălzire se pot clasifica după mai multe criterii şi anume: - după modul de amplasare a sursei termice: încălzire centrală, locală, la

distanţă; - după natura agentului termic: încălzire cu apă caldă, apă fierbinte, abur cu

presiune joasă, abur cu presiune medie, aer cald; - după natura energiei utilizate: încălzire electrică, încălzire cu pompe de

căldură, încălzire cu energie convenţională (combustibili gazoşi, lichizi, solizi), încălzire cu energii neconvenţionale (solară, geotermală, biomasă, etc.), instalaţii de recuperare a căldurii reziduale;

- după modul în care se face transmisia căldurii: încălzire prin convecţie, radiaţie;

- după modul în care se asigură parametri din interiorul încăperilor: încălzire normală, încălzire de gardă.

130

V.2. Sisteme şi instalaţii de încălzire centrală Sisteme de încălzire centrală utilizează drept agent termic apa caldă care

îşi măreşte potenţialul termic în cazan, preluând o parte din energia termică cedată de combustibilul ars, iar printr-o reţea închisă de conducte transferă energia termică acumulată spaţiului ce urmează a fi încălzit, utilizând suprafeţe de încălzire.

Cele mai importante criterii de clasificare ale sistemelor de încălzire, respectiv ale centralelor termice sunt următoarele [19]: a) după puterea instalată:

- CT de putere mică ( 100 kW); - CT de putere medie (100…2000 kW); - CT de putere mare (> 2000 kW).

b) după natura agentului termic utilizat: - instalaţii cu apă fierbinte, cu temperatura până la (115…120) 0C; - instalaţii cu apă caldă, de medie temperatură, cu temperatura până la 95 0C; - instalaţii cu apă caldă, de joasă temperatură, cu temperatura până la 65 0C; - instalaţii cu abur de joasă presiune, sub 0,7 bar suprapresiune; - instalaţii cu abur de medie presiune, peste 0,7 bar suprapresiune; - instalaţii cu fluide speciale.

c) după modul de vehiculare a agentului termic: - instalaţii cu circulaţie naturală (gravitaţionale); - instalaţii cu circulaţie forţată.

d) după schema de asigurare împotriva suprapresiunilor accidentale: - instalaţii cu vase de expansiune deschise; - instalaţii cu supape de siguranţă şi vase de expansiune deschise/închise; - instalaţii cu supape de siguranţă şi/sau dispozitive hidraulice.

e) după alcătuirea reţelei de distribuţie: - reţele arborescente; - reţele radiale; - reţele inelare.

f) după gradul de răspuns la condiţiile de stabilitate termică: - instalaţii cu reglare termo-hidraulică locală; - instalaţii cu reglare termo-hidraulică centrală; - instalaţii cu gestiune globală a energiei.

g) după natura combustibilului utilizat: cu combustibil gazos, lichid sau solid; h) după modul de exploatare a centralei:

- CT automate; - CT cu supraveghere totală/parţială; - CT manuale.

Indiferent dacă sistemul termic deserveşte un singur apartament sau o

zonă întreagă, structura de bază nu diferă în mod esenţial. În alcătuirea unei centrale termice intră cazanele, pompele, elementele de legătură şi de distribuţie, gospodăria de combustibil, elementele de evacuare a produselor arderii, instalaţiile de automatizare (Fig.5.1).

131

Fig.5.1. Schema simplificată a sistemului de încălzire centrală

Funcţionarea unei centrale termice se bazează pe conversia unei forme

oarecare de energie în energie termică. Forma primară de energie cea mai utilizată în prezent este de natură chimică (hidrocarburi, cărbuni). Într-o măsură mai redusă se utilizează combustibili organici de origine vegetală (lemn şi deşeuri).

Căldura produsă, transpusă pe agenţii purtători, are o dublă utilizare: încălzirea încăperilor şi furnizarea apei calde.

Agenţii purtători de energie pentru încălzire parcurg o reţea închisă, mişcarea agentului cu un debit Fag fiind una forţată, cauzată de diferenţa de presiune p, produsă de un sistem de pompe.

Ecuaţia care exprimă legătura dintre p şi viteza de curgere a agentului este:

22

22 vCvCppp loclinloclin

(5.1)

unde: d

lClin este coeficientul pierderilor liniare de presiune; l – lungimea conductei; d – diametrul conductei; Re

64 - constantă dependentă de regimul de curgere (număr Reynold); Cloc - coeficientul pierderilor locale de presiune;

- densitatea agentului termic (apa); v – viteza de curgere; plin, ploc – pierderile de presiune liniare, respectiv locale. Sistemul care transportă agentul termic la consumator se numeşte tur, iar sistemul prin care agentul se întoarce se numeşte retur. Căldura cedată încăperilor încălzite este dată de diferenţa de temperatură dintre tur şi retur:

TcFdtdQ

agag (5.2)

unde: cag este căldura specifică a agentului termic;

132

10 TTT - diferenţa de temperatură dintre tur şi retur. Pentru o funcţionare optimă aceasta se menţine constantă, la o valoare care depinde de temperatura exterioară. Sistemul pentru apa caldă menajeră este un sistem deschis, caracterizat prin temperatura Ta. Deoarece nu toată cantitatea de apă produsă este şi consumată, pentru evitarea răcirii apei pe conducte, se utilizează un sistem de recirculare.

Căldura primară este obţinută pe baza arderii combustibilului în focarul cazanului şi este predată agentului termic prin intermediul unui sistem de ţevi încălzite (Fig.5.2). La ieşirea din cazan, agentul primar (apa caldă sau fierbinte) este distribuit spre:

- sistemul de încălzire centrală; - sistemul de preparare a apei calde. În vana cu trei căi se face o amestecare a agentului primar şi a returului

sistemului, obţinând turul cu valorile necesare pentru temperatură, presiune şi debit; la crearea presiunii contribuie sistemul de pompe, comutabil în trepte. Pentru completarea sistemului închis de încălzire cu apă şi pentru a compensa variaţia volumului agentului primar cu temperatura, la sistem este legat vasul de expansiune în care se menţine presiunea dorită prin intermediul unei perne de aer produsă de compresorul de aer.

Fig.5.2. Schema centralei termice

Apa caldă menajeră se obţine din apa rece din sistemul de alimentare cu

apă potabilă cu ajutorul schimbătorului de căldură în contracurent. Apa caldă este recirculată cu ajutorul unui sistem de pompe. Pe timp de noapte, când consumul de apă este redus, apa caldă este furnizată din rezervoare încărcate în timpul zilei.

Pentru alimentarea consumatorilor cu puteri termice necesare între 20 şi 1000 kW există şi varianta utilizării staţiilor termice compacte. Acestea sunt alcătuite din schimbătoare de căldură, pompe de circulaţie a agentului termic şi elemente de reglare şi automatizare, la care se adaugă şi rezervorul de acumulare, dacă construcţia schemei prevede acest lucru [21].

Staţiile compacte sunt, de fapt, puncte de transformare în care puterea termică a agentului primar la un anumit potenţial se transferă agenţilor secundari

133

la potenţialele termice cerute de consumator. Aceste echipamente sunt utile consumatorilor de tip locuinţă unifamilială sau grupurilor de apartamente.

Schemele cele mai utilizate pentru staţii termice compacte sunt cele în care schimbătorul de căldură pentru prepararea apei calde se leagă în serie-paralel cu încălzirea. Variantele îmbunătăţite utilizează două trepte serie-paralel, în care schimbătorul treapta I este legat în serie cu schimbătorul treapta II, iar acesta este legat paralel cu schimbătorul de încălzire (Fig.5.3 şi 5.4). În acest fel se oferă posibilitatea utilizării potenţialelor termice scăzute ale agentului termic primar pentru preîncălzirea apei calde de consum în schimbătorul de căldură treapta I.

Fig.5.3. Staţia termică compactă pentru prepararea ACC în două trepte

serie-paralel cu încălzirea

Fig.5.4. Staţia termică compactă pentru prepararea ACC cu acumulare în două trepte

serie-paralel cu încălzirea

134

V.2.1. Automatizarea sistemelor de încălzire centrală Analiza soluţiilor de automatizare pentru o centrală termică porneşte de la

un criteriu hotărâtor - valoarea maximă a raportului performanţă tehnică/valoarea investiţiei, deci calitate/preţ, dar ţine seama şi de regimul hidraulic din circuitul primar şi secundar, respectiv funcţionarea în sisteme cu debit variabil şi funcţionarea în sisteme cu debit constant de agent termic.

În procesele de încălzire şi preparare a apei calde de consum, obiectivul reglării constă în menţinerea mărimii reglate (temperatura, presiunea, debitul purtătorului de căldură) la valoarea prescrisă, în condiţiile unor costuri minime şi respectării cerinţelor privind parametri optimi de confort.

Analizate prin prisma optimizării, procesele de încălzire şi de preparare a apei calde de consum trebuie să răspundă unei serii de cerinţe: - menţinerea în încăperile din clădiri a unor temperaturi interioare constante (cât mai apropiate de valoarea de confort), cu posibilitatea modificării acestora în funcţie de: destinaţia încăperii, regimul de utilizare, perioadă (zi – noapte, sfârşit de săptămână), obişnuinţa cu un anumit regim termic, apariţia unor aporturi gratuite, etc.; ca urmare, în conceperea soluţiilor de reglare apare indicat să se controleze desfăşurarea procesului de încălzire în fiecare încăpere. - coordonarea regimului hidraulic al instalaţiilor de încălzire (circuitele secundare ale punctelor termice) cu caracteristica de pompare debit – presiune; în acest sens se impune echilibrarea reţelei de distribuţie şi a coloanelor; - coordonarea regimului hidraulic al punctelor termice şi al reţelei de apă fierbinte cu caracteristicile funcţionale ale pompelor de circulaţie; în acest sens se impune echilibrarea reţelei şi prevederea de regulatoare de debit în punctele termice;

- menţinerea temperaturii apei calde de consum într-un domeniu restrâns, teoretic constant; această cerinţă, datorită variaţiei consumului de apă caldă şi a temperaturii agentului primar, constituie o sursă de perturbaţii; - livrarea agentului termic primar în reţea şi la punctele termice, la un nivel de temperatură cât mai apropiat de graficul teoretic de reglare, astfel încât buclele de reglare să opereze eficient în obţinerea parametrilor controlaţi (temperatură interioară în încăperi, temperatura apei calde de consum).

Funcţiile de reglare se pot asocia cu alte funcţii ale buclelor de automatizare (ex. asigurarea protecţiei utilizatorilor şi personalului de exploatare, precum şi a echipamentelor).

Pentru realizarea funcţiei de reglare se poate utiliza: - reglarea în buclă închisă, în care mărimea reglată este măsurată,

valoarea ei este comparată cu valoarea prescrisă şi se acţionează asupra puterii termice, pentru ca valoarea mărimii reglate să se apropie de valoarea prescrisă, în limite strânse (ex. controlul temperaturii de preparare a ACC);

- reglarea în buclă deschisă, în care mărimea reglată este comparată cu valoarea prescrisă, în corelare cu variaţia perturbaţiilor care influenţează nevoile de căldură, fără controlul mărimii care reflectă calitatea serviciului (ex. realizarea corespondenţei dintre temperatura apei calde din conducta de tur şi temperatura exterioară a aerului).

135

Acţiunea de reglare este concepută să răspundă la trei operaţiuni funcţionale: măsurarea, compararea şi comandarea. Dintre soluţiile utilizate în tehnica reglării, în funcţie de modul în care se corectează mărimea reglată, se disting următoarele [11,19,38,42,43,45,47]:

- reglarea “tot sau nimic”, în care se controlează temperatura apei la ieşirea din cazan, prin anclanşarea şi declanşarea arderii; modul “totul sau nimic” este recomandat la reglarea temperaturii interioare din clădirile cu inerţie termică mare. Prin efectul inerţiei termice a încăperilor şi al aporturilor de căldură, duratele de funcţionare şi de întrerupere a emiţătorului de energie termică se pot schimba; acest mod de acţionare poate fi folosit şi la prepararea apei calde de consum în instalaţii prevăzute cu acumulare;

- reglarea tripoziţională (flotantă), în care poziţiile “deschis”, “de echilibru” şi “închis” a elementului de execuţie (ex. robinet de reglare) se obţin prin comanda de deschidere sau închidere la anumite valori negative sau pozitive ale abaterii mărimii reglate faţă de valoarea de consemn; modul tripoziţional se poate utiliza la reglarea temperaturii interioare din încăperi, prin modificarea puterii termice emise (debitul de fluid);

- reglarea progresivă, în care regulatorul poate fi: proporţional (P), integrativ (I), proporţional-integrativ (PI) sau proporţional–integrativ-derivativ (PID). În cazul reglării P, ventilul robinetului de reglare se deplasează cu aceeaşi valoare pentru fiecare unitate a abaterii mărimii reglate. Diferenţa dintre valoarea maximă a mărimii reglate şi valoarea minimă admisă a acesteia reprezintă “banda de proporţionalitate” (BP). În cazul reglării I, viteza de deplasare a organului de execuţie este proporţională cu valoarea abaterii mărimii reglate faţă de mărimea de referinţă. Atâta timp cât există o eroare (abatere) regulatorul acţionează, asigurând corecţia poziţiei robinetului de reglare. În cazul reglării PI, poziţia robinetului de reglare se obţine prin completarea acţiunii proporţionale cu modul de acţiune integral. Constanta de timp de integrare care apare în acest caz, reprezintă timpul după care corecţia poziţiei robinetului de reglare generată de acţiunea P este repetată prin acţiunea I şi depinde de viteza de deplasare a organului de execuţie. Un astfel de sistem (cu regulator PI) este precis şi sensibil şi poate fi folosit la încălzirea clădirilor civile sau industriale şi la prepararea apei calde de consum cu schimbătoare de căldură fără acumulare. Suplimentar, faţă de modul PI, sistemul PID ţine seama de viteza cu care mărimea reglată se îndepărtează de valoarea de consemn. Un regulator PID se adaptează la o buclă de reglare prin trei mărimi caracteristice (banda de proporţionalitate, constanta de timp de integrare, constanta de timp de derivare), mărimi de care se ţine seama în operaţiunile de acordare a regulatoarelor. În acelaşi timp, echipamentele de automatizare a centralelor pentru încălzirea clădirilor şi prepararea apei calde de consum devin tot mai complexe. Aceasta se reflectă prin ponderea în preţul cazanului şi în faptul că tot mai multe disfuncţionalităţi la instalare sau exploatare se datorează automatizării.

La construcţia echipamentelor de automatizare se folosesc atât tehnologii vechi, consacrate (ex. termostate, programatoare cu came), cât şi ultimele realizări în domeniul prelucrării informaţiilor: microcalculatoare de proces,

136

automate logice programabile executate în tehnologia componentelor electronice montate pe suprafaţa cablajului imprimat.

Principiile de reglare sunt aproximativ identice cu cele folosite cu mai mulţi ani în urmă, în prezent remarcându-se implementarea într-un gabarit tot mai redus a unui număr ridicat de funcţii de automatizare şi o evoluţie importantă în ceea ce priveşte dialogul cu operatorul uman.

În figura 5.5 se prezintă schema de conectare în cascadă a două cazane, specifică folosirii agentului termic pentru încălzire şi preparare apă caldă de consum [43]. Notaţiile au următoarea semnificaţie: C – cazan, B – boiler pentru prepararea ACC, CI – corp de încălzire, P – pompă, V – ventil cu trei căi şi servomotor, Te – termostat aer exterior, Ta – termostat de ambianţă, Tc – termostat de contact.

Fig.5.5. Schema de reglare pentru două cazane

Regulatorul asigură: - pornirea în cascadă a două cazane, cu una sau două trepte, funcţie de

temperatura apei în bara de ieşire din cazan; - menţinerea unei temperaturi a agentului termic de încălzire mai mică sau egală cu temperatura apei din cazane, funcţie de temperatura exterioară şi în corespondenţă cu curba de reglare a încălzirii, realizată prin bucla de reglare I; - temperatura dorită a apei calde de consum, prin intermediul buclei de reglare II; - comanda de la distanţă D; - optimizarea temperaturii agentului termic de încălzire funcţie de temperatura de ambianţă Ta. Dacă se utilizează regulatoare analogice, pentru fiecare sistem de reglare este necesar câte un regulator. În cazul alegerii unui regulator numeric multicanal se pot realiza toate funcţiile de reglare cu un singur aparat. Acesta poate comunica cu un calculator, caz în care se poate realiza un sistem de monitorizare.

Pentru un sistem de încălzire racordat la reţeaua urbană şi la instalaţia interioară de încălzire şi preparare ACM, se utilizează boilere. Acestea sunt destinate aplicaţiilor pentru alimentarea cu agent termic, răspunzând exigenţelor de încălzire şi preparare apă caldă menajeră atât pentru marile complexe cât şi pentru spaţiile de locuit conectate la un sistem de încălzire central. Între avantajele oferite de utilizarea boilerelor se remarcă:

137

- lipsa emisiilor de noxe, care în cazul sistemelor de încălzire tradiţionale pun probleme de montaj;

- instalarea nu necesită un spaţiu special, care să corespundă din punct de vedere al suprafeţei vitrate;

- pentru utilizator există posibilitatea unui control total al consumului şi al nivelului de confort urmărit.

Boilerul “Tank in Tank” prezentat în figura 5.6 este un schimbător de căldură cu acumulare integrată, constituit din două rezervoare, unul în interiorul celuilalt şi funcţionează ca un acumulator termic cu eficienţă ridicată, asigurând un răspuns rapid la cererea de energie termică din instalaţie, deoarece suprafaţa de schimb termic este mai mare decât în cazul unui boiler cu serpentină [47].

Fig.5.6. Schema de principiu pentru racordarea boilerului “Tank in Tank” Rezervorul interior care conţine apa ce trebuie încălzită (circuitul

secundar), este total imersat în rezervorul exterior ce conţine agentul termic încălzitor (circuitul primar). Agentul primar circulă între cele două rezervoare şi cedează căldura apei calde menajere.

Reglarea locală a agentului termic este realizată cu o vană cu trei căi (servomotorizată), o pompă de circulaţie şi o sondă de temperatură montată pe circuitul de tur. Reglarea agentului de încălzire este făcută printr-o vană cu două căi (servomotorizată). Un gigacalorimetru măsoară consumul de energie termică în funcţie de temperatura de pe tur şi retur. Senzorul termostatului din interiorul rezervorului de ACM controlează circulaţia agentului termic de încălzire prin intermediul unui regulator (electronic), care comandă simultan cele două vane

138

servomotorizate, în funcţie de necesarul de căldură, temperatura exterioară şi temperatura ambientală.

În funcţie de cerinţele impuse şi de costul soluţiilor care pot fi adoptate, automatizarea centralelor termice poate atinge diferite niveluri de complexitate (urmând evoluţia generală din domeniul sistemelor de automatizare), respectiv: automatizare locală, centralizată, ierarhizată şi distribuită [16,17].

O buclă locală de reglare lucrează independent de celelalte bucle de reglare (şi de multe ori în conflict), nu necesită alte conexiuni şi are dezavantaje considerabile: parametri ficşi ai regulatorului şi imposibilitatea de comunicare (Fig.5.7). Când domeniul de reglare este mare rezultatul reglării cu astfel de bucle poate fi total nesatisfăcător. Lipsa facilităţilor de comunicare face imposibilă urmărirea şi coordonarea centralizată a instalaţiei, cu implicaţii economice, mai ales la sarcini mici.

Fig.5.7. Sistem de conducere locală

Conceptul pe care se bazează arhitectura sistemelor centralizate este

camera de comandă, în care se află regulatoarele, acesta fiind un avantaj important din punctul de vedere al operatorului, care poate urmări evoluţia diferiţilor parametri şi interveni în comanda instalaţiei (Fig.5.8). Aparatele locale sunt complet dependente de comenzile venite de la centru, ele neputând lucra independent, iar parametrii de acord ai regulatoarelor rămân, în general, ficşi, operatorul acţionând numai asupra valorilor de referinţă. Traductoarele şi elementele de execuţie sunt montate în instalaţie (în câmp, după limbajul specialiştilor).

Implementarea acestor sisteme se face cu aparate analogice sau numerice. În sistemele analogice, transmiterea se face prin semnal unificat pneumatic sau electric, preponderent fiind cel electric. Implementarea cu aparatură numerică a conducerii centralizate prezintă avantajul posibilităţii de modificare a parametrilor de acord ai regulatoarelor pentru a optimiza funcţionarea instalaţiei,

139

precum şi o urmărire selectivă a parametrilor din instalaţie. Traductoarele şi elementele de execuţie sunt însă comandate cu semnal electric analogic.

Fig.5.8. Sistem de conducere centralizată

Principalele dezavantaje ale acestor arhitecturi sunt date de traseele lungi

de semnal mic şi de dependenţa sistemului de aparatura centrală (aparatele locale sunt complet dependente de comenzile venite de la centru, ele neputând lucra independent).

Conducerea ierarhizată are o structură piramidală, în care primul nivel, realizat cu regulatoare distincte, asigură conducerea subproceselor, cu menţinerea regimurilor de funcţionare optime, atât timp cât sunt respectate restricţiile locale. Al doilea nivel, format din blocuri de automatizare, modifică restricţiile locale şi criteriile de performanţă ale regulatoarelor şi transmite informaţia la un calculator central. Nivelul ierarhic cel mai înalt coordonează nivelurile inferioare, pentru a optimiza întregul sistem. Conducerea distribuită combină avantajele arhitecturilor precedente, principiul pe care se bazează fiind cel al conlucrării: fiecare buclă de reglare lucrează independent dar comunică cu celelalte sisteme pentru a optimiza întreaga instalaţie. Tendinţa este ca reglarea să se facă local, prin bucle simple de reglare care comunică cu restul sistemului (Fig.5.9). Traductoarele de construcţie recentă sunt echipate cu un microsistem de calcul (de tip microprocesor) care realizează anumite funcţii, precum liniarizarea semnalului de ieşire.

Integratorul sistemului de conducere este reţeaua de comunicaţie, care-l face să lucreze unitar. Aceasta face ca toate mărimile măsurate din instalaţie sau parametrii de reglare să fie accesibili pentru programe orare, estimarea tendinţei, afişare şi monitorizare în orice punct al reţelei. Sistemul de comunicaţie trebuie să fie capabil să transmită informaţia cerută automat, fără ca operatorul să fie obligat să modifice setările.

140

Fig.5.9. Sistem de conducere distribuită

Până recent, aproape toate sistemele de conducere numerice utilizau

comunicaţia serială pe standardul RS 232, cu o viteză maximă de 9600 baud. Cu excepţia unor aplicaţii mici, o astfel de viteză este prea mică pentru conducerea distribuită. Reţelele de comunicaţie actuale realizează viteze de comunicaţie de ordinul megabaud, care îmbunătăţesc semnificativ performanţele sistemului de conducere. Sistemele distribuite de conducere necesită un limbaj de programare dedicat conducerii automate, care trebuie să asigure: - controlul automat al fiecărei mărimi din instalaţie, printr-un singur program,

fără a intra în conflict cu alte module de control; - facilităţi de editare, de modificare a unui program de control al unei mărimi,

precum şi de modificare rapidă a bazei de date; - funcţii matematice şi logice, calcule de optimizare; - posibilitatea de a da valori mărimilor din sistem, în cazul defectării unor

traductoare; - afişarea în timp real a datelor şi graficelor de evoluţie şi de tendinţă.

Schimbările majore tehnologice actuale sunt legate de comunicare, de la mass-media la reţelele de calculatoare, afectată fiind şi aparatura de automatizare. Acest impact a condus la elaborarea unui standard pentru o reţea dedicată automatizării clădirilor, numită BAC-Net, care a devenit ghid pentru producătorii de aparatură numerică de automatizare.

V.2.2. Instalaţii de încălzire miniaturizate pentru interior Pentru asigurarea confortului termic, cu un consum cât mai mic de

combustibil şi energie, în spaţiile în care se desfăşoară activităţi umane (locuinţe, birouri, etc.) se utilizează centralele termice miniaturizate pentru interior, care furnizează instantaneu apă caldă sanitară. Prepararea apei calde se face într-un schimbător de căldură cu serpentină de mare randament sau într-un boiler de acumulare de mare capacitate (tratat la interior împotriva coroziunii).

141

Acestea sunt proiectate şi construite pentru a satisface nevoia tot mai accentuată de a reduce dimensiunile cazanului, acolo unde spaţiul disponibil este limitat. Cazanul asigură încălzirea apei la o temperatură mai mică decât temperatura de fierbere şi trebuie conectat la o reţea de încălzire şi la o reţea de apă sanitară, dimensionate corespunzător. Schema hidraulică a unei centrale termice, echipată cu schimbător de căldură cu serpentină, este prezentată în figura 5.10 [19,43,47].

Grupul termic este dotat cu o cameră de ardere şi un schimbător bitermic, optimizate pentru realizarea unui transfer eficient de căldură, asigurând, în acelaşi timp, producţia de apă caldă şi necesarul de energie termică pentru încălzire, în condiţii unor randamente mai mari de 90% şi puteri termice utile de până la aprox. 30 kW. Vana cu trei căi are încorporat un regulator automat de debit, care asigură un debit constant de apă, indiferent de variaţiile presiunii de alimentare.

1. – Electroventil de gaz; 2. – Schimbător de căldură; 3. – Filtru; 4. – Ventil cu trei căi; 5. – Arzător; 6. – Schimbător primar; 7. – Colector gaze de ardere; 8. – Ventilator; 9. – Ventil de aerisire; 10. – Vas de expansiune; 11. – Pompă de circulaţie; 12. – Control funcţionare pompă; 13. – Legătură by-pass; 14. – Supapă de siguranţă (3 bar); 15. – Manometru; 16. – Robinet golire instalaţie; 17. – Robinet umplere instalaţie.

Fig. 5.10. CT - ECOfast (Arca) - schema hidraulică

Construcţiile recente au în componenţă un dispozitiv de modulare a

flăcării, care adaptează continuu puterea la nevoile efective ale mediului ambiant. Sistemul de control al tirajului coşului verifică evacuarea corectă a gazelor arse, oprind funcţionarea cazanului în cazul ieşirii gazului în încăpere. Evacuarea şi aspirarea aerului, respectiv eliminarea gazelor de ardere este asigurată de un ventilator, montat pe colectorul de gaze de ardere. De asemenea, se întrerupe funcţionarea în cazul sesizării lipsei apei în circuitul de încălzire, pentru evitarea defectării grupului termic.

În figura 5.11 se prezintă schema unei microcentrale pentru încălzire şi producere apă caldă de consum (ACC), echipată cu boiler, în care [43,47]:

142

1. - Ventil by – pass; 10. – Supapă de siguranţă; 2. – Electroventil de gaz; 11. – Ventil cu trei căi servocomandat; 3. – Vas de expansiune; 12. – Robinet golire; 4. – Pompă de circulaţie; 13. – Presostat lipsă apă; 5. - Control funcţionare pompă; 14. – Boiler; 6. – Arzător; 15. – Robinet golire boiler; 7. – Schimbător primar; 16. – Robinet umplere instalaţie; 8. – Racord la coş; 17. - Supapă de siguranţă; 9. – Ventil de aerisire; 18. – Termostat ACC.

Fig.5.11. CT - Primavera, model CAB

Microcentrala are focarul deschis, cu racordare la coşul de fum (evacuare

prin tiraj natural), aerul de ardere fiind preluat din încăperea în care este montată. Cu prioritate faţă de încălzire, există posibilitatea de reglare a temperaturii dorite pentru ACC, prin intermediul unui termostat. În acest scop, (electro)ventilul cu trei căi, care asigură debitul caloric necesar încălzirii ACC, intră în funcţiune şi în cazul consumurilor mici de ACC. Sistemul de amestecare aer – combustibil asigură randamente de ardere de peste 97% şi emisii poluante reduse, iar configuraţia optimizată a camerei de ardere asigură randamente termice de peste 90%.

În figurile 5.12 şi 5.13 se prezintă schema unei instalaţii cu un circuit de încălzire şi un circuit de apă caldă menajeră, respectiv a unei instalaţii cu două circuite de încălzire şi un circuit de apă caldă menajeră.

Semnificaţia simbolurilor (dată de producător - Junkers) în cele două scheme este următoarea [41]: Z – aparat de încălzire centrală; B – tehnica condensării, R – modulare, A – tiraj forţat, ACM – apă caldă menajeră, AR – apă rece, SB – sondă boiler, VE – vas de expansie, PB – pompă boiler, SS – supapă de sens, RI – robinete de izolare,

143

D – display, PCI – pompă de circulaţie pentru încălzire, ST – sondă de tur, T – telecomandă, SE – sondă de exterior, PCI0/1 – pompă circuit de încălzire, PCP – pompă circulaţie primar, SH – sistem hidraulic, V3 – vană cu trei căi, LT – limitator de temperatură, PR – pompă recirculare ACM.

Fig. 5.12. Sistem de încălzire Cerapur ZBR...A

Fig.5.13. Sistem cu două circuite de încălzire, Cerapur ZBR...A

144

Pentru automatizare, se evidenţiază modulele TA 270, pentru montarea în cascadă a mai multor centrale (max. 3), HSM, pentru comanda electronică a unei pompe de circulaţie, a unei pompe de boiler şi a unei pompe de circuit de încălzire şi HMM, pentru comanda electronică a unei vane cu trei căi şi a pompei pentru circuitul de încălzire corespunzător. În figura 5.14 se prezintă o instalaţie de încălzire (cu temperatura pe tur mai mare de 40 0C), cu producerea ACM cu ajutorul unui boiler încălzit indirect, comandat de un dispozitiv de prioritate şi controlul temperaturii ambientale cu ajutorul unui termostat. La solicitarea serviciului de ACM, dispozitivul de prioritate porneşte arzătorul, porneşte pompa de circulaţie aflată pe circuitul de ACM şi opreşte funcţionarea pompei de pe circuitul de încălzire. Termostatul de ambianţă se montează, de regulă, în zona cea mai defavorizată termic şi realizează reglarea temperaturii în intervalul (5…30) 0C. Boilerul se utilizează pentru prepararea şi stocarea ACM, are rezervorul din oţel şi dispune de un termometru şi o sondă de temperatură tip NTC (coeficient de temperatură negativ), pentru a putea fi cuplat la sistemul de automatizare.

Fig.5.14. Sistem de încălzire Supraline

În figura 5.15 se prezintă schema unei instalaţii de încălzire (cu temperatura pe tur mai mare de 40 0C) cu două cazane în cascadă, cu producerea ACM cu ajutorul unui boiler încălzit indirect. Automatizarea este realizată cu ajutorul unui regulator electronic de temperatură cu sondă de exterior TA 122 E2 şi cu telecomandă TW2, pentru ajustarea parametrilor de la distanţă. La simbolizarea anterioară (Junkers [41]) se adaugă: SSI – supapă de siguranţă, CC – cazan condus, CCR – cazan conducător.

145

Fig.5.15. Sistem de încălzire în cascadă Supraline

Echipamentele de automatizare montate în centralele termice includ: - echipamente pentru supravegherea şi asigurarea arderii combustibilului

în condiţii optime şi cu randament ridicat; - sistemul de control al vanei cu trei căi, pentru menţinerea constantă a

temperaturii pe tur; - controlul sistemului de pompe al agentului primar, pentru asigurarea

diferenţei de presiune; - sistemul de control al schimbătorului în contracurent, pentru menţinerea

constantă a temperaturii apei calde menajere; - sistemul de control al încărcării rezervoarelor de apă caldă; - sistemul de control al deservirii echilibrate a consumatorilor; - echipamente pentru monitorizarea parametrilor de funcţionare şi a

situaţiilor limită (avarie). Echiparea centralelor termice cu sisteme cu microprocesor asigură

avantaje legate de cost, flexibilitate, comunicaţie şi o serie de facilităţi, între care: - termoreglare cu sondă externă a funcţiei de încălzire; - stabilirea pantei de termoreglare; - temporizarea opririi încălzirii; - reglarea temperaturii apei calde; - aprindere electronică; - protecţie antiîngheţ;

146

- resetare avarie; - comandă de la distanţă; - programare orară şi săptămânală; - funcţii de autodiagnosticare:

- lipsa aprinderii; - lipsa circulaţiei apei; - supratemperatura circuitului primar; - nefuncţionarea traductorului de temp. pe circuitul primar; - nefuncţionarea sondei de temperatură sanitară;

- supratemperatura circuitului sanitar; - lipsa evacuării gazelor.

V.3. Sisteme de încălzire electrică Din punct de vedere tehnic, utilizarea energiei electrice pentru încălzirea

spaţiilor de locuit şi a spaţiilor comerciale de dimensiuni mici, a devenit - conform statisticilor - o soluţie foarte agreată datorită multiplelor avantaje în raport cu celelalte sisteme de încălzire bazate pe folosirea combustibililor clasici.

Energia electrică poate răspunde competitiv atât cerinţelor tehnice cât şi economice, în sprijinul ideii de utilizare pe scară largă menţionându-se: - randament real de aproape 100%; - funcţionare silenţioasă şi sigură; - automatizări şi reglaje cu comenzi simple, dar performante; - posibilitatea de montare fără a realiza lucrări suplimentare; - faţă de o centrală care utilizează combustibil gazos se elimină proiectul şi

montajul conductelor de gaze; - eliminarea surselor termice şi odată cu ele şi a produselor secundare ale

combustiei (gaze nocive, poluanţi); - simplitatea operaţiilor de exploatare; - contorizarea riguroasă a consumurilor individuale.

Încălzirea electrică directă este realizată, în general, cu ajutorul convectoarelor sau panourilor radiante, căldura produsă de o rezistenţă electrică fiind transferată instantaneu încăperii prin radiaţie şi convecţie. Aparatele electrice de încălzire directă se clasifică, după raportul dintre fluxul radiant şi cel convectiv, după temperatura suprafeţei încălzitoare şi după modul şi locul de montare, astfel: convectoare de perete, de pardoseală, radiatoare electrice, radianţi luminoşi şi în infraroşu, aeroterme, etc.

Reglarea acestora se realizează cu ajutorul unui termostat încorporat în aparatul electric de încălzire sau montat pe circuitul electric de alimentare al aparatului, pentru puteri 2 kW. Dacă se utilizează două sau mai multe aparate de încălzire în aceeaşi încăpere, reglarea acestora se face cu un singur termostat de cameră. Într-o clădire în care încăperile nu se utilizează în aceeaşi măsură se impune necesitatea de a modifica temperatura în fiecare cameră, în funcţie de destinaţie şi orarul zilnic, folosind un regulator central.

Încălzirea electrică centralizată foloseşte ca agent termic aerul sau apa şi se utilizează în spaţiile în care nu se poate aplica un sistem de încălzire clasic sau la care sistemul clasic se dovedeşte neeconomic.

147

În figura 5.16 se prezintă schema de încălzire electrică realizată cu minicazanul electric Laing, alimentat la 220 V, 50 Hz, cu următoarele componente [19,47]:

1 – placă suport; 6 – vas de expansiune; 2 – minicazan electric; 7 – robinet de golire 3 – supapa de siguranţă; 8 – colector cu trei circuite; 4 – dezaerator automat; 9 – distribuitor cu trei circuite; 5 – termomanometru; 10 – corpuri de încălzire cu aerisire.

Fig.5.16. Schema de încălzire electrică Laing

Instalaţia are o construcţie compactă, constituită din următoarele

componente, distribuite pe verticală, de la partea inferioară spre partea superioară:

- pompa de circulaţie cu motor; - tub din oţel inoxidabil, cu rezistenţele de încălzire; - limitatoare de protecţie la supratemperatură;

blocul de automatizare şi reglare. Rezistenţele electrice (2…15 kW) sunt comandate în funcţie de necesarul

de căldură, pentru încălzirea spaţiilor de 20…80 m2, ceea ce asigură un consum optim, funcţionare silenţioasă şi fiabilitate ridicată.

Pentru încălzirea spaţiilor industriale cu volum mare, utilizarea variantei de încălzire electrică prezintă câteva avantaje importante faţă de alte soluţii, între care:

- comanda flexibilă; - monitorizarea consumului de energie; - monitorizarea stării de funcţionare. Sistemul de încălzire cu aer, prezentat în figura 5.17 se compune din mai

multe subsisteme distribuite în volumul care trebuie încălzit, fiecare subsistem având în componenţă [47]:

- element de încălzire cu coeficient de temperatură pozitiv; - ventilator antrenat de un motor electric; - bloc de comandă a vitezei motorului de antrenare (BC); - traductor de temperatură.

148

Fig.5.17. Schema sistemului de încălzire

Puterea electrică a elementului de încălzire poate fi reglată. Debitul de aer

vehiculat de ventilator pot fi modificat prin reglarea turaţiei motorului de antrenare, prin intermediul unui convertor static, care modifică valoarea medie a tensiunii de alimentare a motorului. Comanda turaţiei motoarelor este asigurată centralizat de o arhitectură cu microcontroler (automat programabil). În funcţie de temperatura măsurată şi de temperatura impusă, acesta ia decizia de creştere sau scădere a turaţiei ventilatorului, respectiv de creştere sau scădere a puterii disipate de fiecare element de încălzire. Automatul asigură şi cuplarea/decuplarea de la reţeaua electrică a elementelor de încălzire (prin contactorul C), monitorizarea timpului de funcţionare şi a stării fiecărui subsistem.

V.4. Sisteme de încălzire solară

Procesul de captare şi conversie a radiaţiei solare în căldură a făcut obiectul unor programe de cercetare desfăşurate în diverse ţări: SUA, Franţa, Germania, etc. În România s-au efectuat cercetări în domeniu la ICPET, ICEMENERG, INCERC Bucureşti, Facultatea de Instalaţii a UTCB şi s-au concretizat prin obiective concrete precum casa solară de la Neptun, casa solară CS 2 Câmpina, casa solară CS 3 Bucureşti, etc.

Pe plan mondial, preocupările pentru valorificarea energiei solare sunt reprezentate de obiective ca: instalaţii pentru prepararea apei calde menajere (ACM), instalaţii pentru încălzire, instalaţii pentru desalinizarea apei, instalaţii de răcire şi de uscare, sisteme de apă caldă pentru industrie şi agricultură, avioane solare, automobile autonome solare, centrale solare spaţiale, etc.

În condiţiile în care problematica energetică creşte în importanţă, iar protecţia mediului a devenit o cerinţă a societăţii, s-au intensificat şi eforturile în direcţia dezvoltării tehnologiilor de valorificare a energiilor neconvenţionale.

După un declin datorat tehnologiilor greoaie, a costurilor ridicate pentru materiale, exploatare şi întreţinere, activitatea în domeniul dezvoltării şi

149

perfecţionării tehnologiilor de captare şi valorificare a radiaţiei solare cunoaşte un reviriment, datorită avantajelor evidente pe care le oferă:

- soarele este o sursă de energie nepoluantă şi inepuizabilă; - este o sursă de energie dispersă, ceea ce permite utilizarea, prin

conversii în alte forme de energie, direct la locul de consum, eliminându-se transportul la distanţă;

- energia solară poate fi transformată în alte forme de energie (termică, electrică, mecanică, chimică) cu ajutorul captatoarelor;

- captatoarele pot fi executate în variante constructive simple sau mai complexe, forma, tipul şi mărimea acestor dispozitive depinzând de energia nou creată.

Din punct de vedere energetic, partea cea mai importantă a energiei solare din afara atmosferei se găseşte în intervalul spectral 0,20…3,0 m. În acest interval este emisă aproximativ 97% din energia totală, diferenţa de 3% fiind emisă în banda de emisie de 10-1…103 m. Radiaţia solară la suprafaţa pământului (constanta solară) reprezintă energia termică ce este primită de o suprafaţă normală (plasată perpendicular pe direcţia razelor solare) situată la limita atmosferei terestre [19,47].

Valoarea constantei solare (1,355kW/m2) se modifică datorită variaţiei periodice a distanţei Pământ – Soare şi datorită fenomenelor solare, fiind influenţată şi de modificarea unghiului de înălţime a soarelui, a înclinării axei pământului şi de latitudinea geografică. De exemplu, pentru latitudinea geografică din zona României, radiaţia globală în condiţii normale este de maxim 1000 W/m2, iar media zilelor însorite pe an este de 310. Cu ajutorul captatorilor plani montaţi la un unghi de 450, poate fi captată până la 75% din radiaţia solară.

Fluxul de energie radiat de soare care ajunge la suprafaţa pământului este mai mic decât constanta solară, deoarece, radiaţia solară care străbate masa atmosferică (peste 8 km) este redusă ca urmare a disipărilor de energie. Atmosfera modifică intensitatea, distribuţia spectrală şi spaţială a radiaţiei, prin absorbţie şi difuzie. Radiaţia globală primită de la soare, de o suprafaţă orizontală la nivelul solului, pentru o zi senină, se compune din radiaţia directă (dependentă de orientarea suprafeţei receptoare) şi radiaţia difuzată (considerată aceeaşi, indiferent de orientare). Pentru problemele legate de utilizarea energiei solare sunt necesare două date meteorologice importante: intensitatea de radiaţie şi durata de insolaţie, pe baza cărora se calculează intensitatea radiaţiei solare efective pe diferite suprafeţe. Datele centralizate referitoare la durata medie de strălucire a soarelui sunt furnizate de Institutul Naţional de Meteorologie şi Hidrologie.

Analiza oportunităţii folosirii instalaţiilor solare de încălzire se face pe baza unor factori ca: sarcina de încălzire, energia solară disponibilă, costul şi durata de recuperare a investiţiilor, etc. Aceste sisteme de încălzire pot fi pasive sau active. În prima situaţie, încălzirea spaţiilor se face în mod natural, fără intervenţia unui mijloc mecanic care să producă circulaţia unui agent termic (aer). Sistemele active presupun existenţa unor echipamente mecanice care să producă circulaţia agentului termic (apă sau aer).

150

În prezent, în tehnica instalaţiilor solare de încălzire şi preparare ACM, se foloseşte o mare gamă de captatori solari, pentru care producătorii furnizează datele tehnice necesare. Aceştia transformă radiaţia solară în energie termică, pe care o cedează mediului de transport (agent termic) şi trebuie amplasaţi astfel încât eficienţa captării să fie maximă. Fiind elemente exterioare ale instalaţiei, trebuie să îndeplinească şi condiţii de rezistenţă, stabilitate şi estetică.

Pentru captatorul plan din figura 5.18, pe suprafaţa absorbantă (ex. tablă din cupru vopsită în negru) cade radiaţia solară directă şi difuză, care se transformă în căldură, suprafaţa de absorbţie încălzindu-se.

Fig.5.18. Captatorul plan

Pentru transferul căldurii obţinute către consumator, se foloseşte un agent

termic (apă, aer) care circulă prin canalele realizate în şi pe suprafaţa de absorbţie. Ca în toate procesele de transformare, transfer şi transport de căldură, intervin pierderi de căldură prin radiaţie, convecţie şi conducţie. Pentru reducerea acestora, suprafaţa absorbantă se montează într-o carcasă închisă pe toate laturile şi izolată termic, iar faţa captatorului este închisă cu un material transparent. Între aportul de radiaţie solară şi necesarul de căldură există diferenţe (ex. variaţia orară a consumului de ACM, variaţia necesarului de căldură pentru încălzire), astfel că acumulatorul compensează variaţiile naturale ale radiaţiei solare şi variaţiile de energie cedată de către captatorul solar mediului de transport. Acumulatorul stochează energia termică în momentul în care nu există consum sau consumul este redus şi o pune la dispoziţia consumatorului când radiaţia solară este redusă. Pentru sistemele de preparare a apei calde menajere, acumulatorul poate fi un boiler bine izolat termic, iar la sistemele de încălzire acesta poate fi un recipient deschis, izolat corespunzător.

Soluţiile tehnice pentru prepararea ACM sunt reprezentate de instalaţii cu circulaţie naturală sau forţată (pompă de circulaţie pe circuitul agentului termic). Pentru prepararea ACM la temperatura de 450C, considerând temperatura apei reci de 10 0C, temperatura apei trebuie ridicată cu 350C, astfel că suprafaţa absorbantă a captatorului solar trebuie să ajungă la temperatura de 50…700C. Sistemele de preparare a apei calde de consum rămân în funcţiune şi în sezonul rece, asigurând parţial sarcina termică necesară. Pentru un consum de 50l/om zi este necesară o suprafaţă a captatorului de aprox. 1,5 m2, care poate acoperi, în perioada de vară, necesarul de ACM în proporţie de 90…100%.

151

Conversia şi utilizarea energiei solare implică probleme complexe legate de construcţia şi amplasamentul captatorilor, de integrarea sistemului solar în instalaţie şi de automatizare a sistemului. Utilizarea energiei solare sub formă de energie termică nu poate fi separată de problema stocării acestei energii.

Instalaţia de conversie a energiei solare în energie termică are în componenţă (Fig.5.19):

- captatorul solar; - dispozitive de stocare a căldurii solare; - reţea de conducte pentru transportul şi distribuţia căldurii solare la

consumator; - elemente de automatizare a întregului proces de producere, stocare,

transport şi distribuţie a căldurii solare; - aparatură şi dispozitive de siguranţă.

Fig.5.19. Schema de principiu a unui sistem de încălzire solar

Sistemele solare implementate în instalaţiile pentru clădiri au performanţe

ridicate, rezultând economii considerabile ale consumurilor de combustibili.

V.5. Sisteme de încălzire cu apă geotermală Existenţa energiei acumulate în scoarţa terestră este pusă în evidenţă prin

creşterea progresivă a temperaturii solului cu adâncimea, pe verticala fiecărui punct. În cazul în care o anumită structură geologică conţine apă, aceasta ia temperatura rocilor în care este depozitată, existând premisele valorificării energiei geotermale [19,47].

În figura 5.20 se evidenţiază următoarele procese importante: - prin puţul de exploatare se realizează extragerea energiei interne a

sistemului prin apa geotermală de temperatură ridicată; - prin puţul de repompare se introduce apa geotermală de temperatură

redusă ce conduce la creşterea energiei interne a sistemului; - apa geotermală extrasă cedează, la presiune constantă, o parte a energiei

termice prin conducţie şi convecţie spre utilizatori. Curgerea apei geotermale la adâncimi mari (în straturile acvifere) are o

viteză redusă, este continuă şi poate fi considerată în regim laminar, bidimensional şi staţionar.

152

Fig.5.20. Schema de principiu a unui sistem de încălzire cu apă geotermală

Ciclul extracţie - valorificare - repompare - curgere subterană - extracţie

poate fi menţinut economic dacă proprietăţile fizico-chimice ale apei geotermale nu fac posibilă apariţia unor interacţiuni de natură fizică, chimică sau hidraulică între apă şi stratul de acumulare.

Procesul de repompare presupune îndeplinirea următoarelor condiţii: - apa geotermală extrasă trebuie repompată în stratul de extracţie (asigurarea

unui circuit închis); - apa repompată trebuie să aibă aceeaşi compoziţie chimică cu apa extrasă

(conservarea calităţii); - debitul apei repompate să fie pe cât posibil constant.

Prin utilizarea pompelor submersibile se asigură: - realizarea unui reglaj calitativ eficient; - obţinerea unor debite superioare exploatării naturale; - ridicarea temperaturii apei extrase cu 5…8°C, datorită creşterii debitului.

Utilizarea eficientă a energiei geotermale la alimentarea cu căldură a consumatorilor impune: - cunoaşterea parametrilor de exploatare a sursei pe baza unui studiu şi

garantarea parametrilor: debit, temperatură, compoziţie chimică; - asigurarea unei bune corelări între amplasamentul sursei şi consumatorii de

căldură; - asigurarea unei durate anuale de funcţionare cât mai ridicate.

Pentru dezvoltarea şi îmbunătăţirea acestor sisteme trebuie rezolvată problema repompării apei uzate, păstrarea rezervei de apă şi a presiunii în stratul de bază. Prin utilizarea unor schimbătoare de căldură la suprafaţă şi repomparea apei uzate, se obţine un circuit închis, deoarece stratul de apă de mare adâncime poate fi considerat închis din punct de vedere hidrodinamic, datorita curgerii apei cu o viteză foarte mică.

Valorificarea energetică a resurselor geotermale şi realizarea unui sistem de alimentare cu căldură sunt condiţionate de existenţa consumatorilor de căldură

153

în zona de resurse. În funcţie de mărimea acestor consumatori şi de densitatea sarcinii termice de încălzire, sistemele de alimentare pot fi locale sau centralizate.

Pentru valorificarea termică eficientă se adoptă următoarele domenii de utilizare, în funcţie de nivelul de temperatură al apei geotermale: 1). T=30…50 0 C

- încălzire solarii; - încălzire şi preparare apă caldă de consum cu pompe de căldură; - preparare apă caldă de consum menajer sau tehnologic cu pompe de

căldură. 2). T=50…80 0 C

- încălzire şi preparare apă caldă de consum, prin asociere cu o centrală termică de vârf pentru consumatori civili şi industriali;

- preparare de apă caldă de consum menajer sau tehnologic. 3). T>80 0 C

- încălzire şi preparare apă caldă de consum, prin asociere cu o centrală termică de vârf pentru consumatori civili şi industriali;

- încălzire în procese tehnologice de uscare; - preparare apă caldă de consum tehnologic.

În România, există sonde în exploatare în sistemele hidrogeotermale Oradea, Crişul Negru-Someş, Mureş-Crişul Negru, Cozia-Căciulata, Borş, Bucureşti Nord-Otopeni.

V.6. Sisteme de încălzire cu pompe de căldură Ameliorarea eficacităţii proceselor energetice sau industriale se realizează,

în mare măsură, prin introducerea în circuitul energetic a surselor secundare care apar şi se dezvoltă simultan cu aceste procese. Pompa de căldură este o instalaţie termică care preia căldura de la un izvor de căldură cu un potenţial termic scăzut şi o cedează unui consumator, la un potenţial termic mai ridicat, consumând în acest scop o energie de acţionare. Cele mai multe aplicaţii utilizează instalaţia cu compresie mecanică, acţionată electric sau termic, respectiv instalaţia cu absorbţie şi – mai rar - ejecţie.

Izvorul pompei trebuie corelat cu consumatorul adecvat, din punct de vedere al temperaturilor sursei reci şi calde şi poate fi: - aerul (atmosferic, evacuat din incinte climatizate, gaze de ardere, etc.); - apa (de suprafaţă, subterană, geotermală, tehnologică); - solul (pământul, deşeuri menajere).

Pompele de căldură se pot utiliza pentru încălzirea unor spaţii, pentru prepararea apei calde de consum, pentru diverse procese tehnologice (uscare, distilare). Instalaţiile de încălzire pot utiliza pompe de căldură aer-aer, aer-apă, apă-aer, apă-apă, sol-aer, sol-apă, producători consacraţi fiind Airwell, Sampo, Ciat, Carrier, York, etc.

V.7. Sisteme de încălzire cu abur de joasă presiune Acestea sunt instalaţii închise, utilizând ca agent termic aburul saturat cu

presiunea maximă de 1,7 bar. Funcţionare lor se bazează pe utilizarea vaporilor de apă ca agent termic transportor. Sarcina termică necesară la consumator se

154

obţine din transformarea unui anumit debit de abur în condensat şi preluarea căldurii latente de vaporizare. Sarcina termică transportată de un debit de abur este proporţională cu debitul de fluid şi cu căldura latentă de vaporizare, la presiunea de regim a instalaţiei. Caracteristicile termofizice ale aburului saturat la diferite presiuni sunt date tabelar [35].

Instalaţiile care utilizează aburul de presiune joasă ca agent termic, conţin următoarele componente: sursa termică – generatoare de abur, sisteme de conducte pentru distribuţia la consumatori, sisteme de conducte pentru preluarea condensatului de la consumatori, corpuri de încălzire, sisteme de siguranţă, sisteme de reglare şi control, accesorii.

V.8. Sisteme de încălzire cu aer cald Deşi utilizează ca agent termic aerul, instalaţiile de încălzire cu aer cald nu

trebuie asimilate sistemelor de ventilare, scopul lor fiind diferit. În sistemele cu aer cald, agentul termic este utilizat direct de consumator, fără un schimbător de căldură intermediar. Sunt folosite pe scară largă în sectorul industrial, în organizările de şantier, spaţii cu destinaţie provizorie, spaţii în care pot fi combinate cu alte tipuri de încălzire, pentru asigurarea confortului termic local. În cazul consumatorilor casnici, încălzirea cu aer cald este de tip local şi devine atractivă pe măsură ce performanţele tehnologice ale echipamentelor conduc la reducerea zgomotelor şi la o distribuţie uniformă a aerului în încăperi.

Sursele de energie care încălzesc aerul pot fi: - agregate cu focar propriu; - aeroterme; - dispozitive multifuncţionale.

V.9. Sisteme de încălzire prin radiaţie Sistemele de încălzire prin radiaţie se folosesc în clădiri civile, în încăperi

cu cerinţe igienice şi de confort deosebite, în clădirile industriale cu spaţii mari şi fără necesităţi de ventilaţie mecanică, în spaţii semideschise sau deschise.

Acestea se caracterizează prin faptul că suprafeţele încălzitoare cedează căldură prin radiaţie mai mult de 50% din căldura totală. În raport cu temperatura medie a suprafeţei încălzitoare, încălzirea prin radiaţie poate fi [19]: - de temperatură joasă (25…100 0C); - de temperatură medie (100…500 0C); - de temperatură înaltă (500…3000 0C).

În categoria sistemelor de încălzire prin radiaţie intră panourile radiante (radiant electric, cu gaze, tuburi radiante metalice, tuburi din cuarţ, etc.), în infraroşu (cu lungime de undă scurtă, medie şi lungă).

V.10. Sisteme de încălzire locală Acestea sunt cele mai simple deoarece cuprind în ansamblul lor atât sursa

termică cât şi suprafaţa de încălzire. Se utilizează la clădiri mici cu maximum 3, 4 niveluri, complexe de clădiri mici dispersate, clădiri cu caracter sezonier. Încălzirea locală prezintă o serie de avantaje (cost de investiţii redus, folosirea tuturor categoriilor de combustibili gazoşi, lichizi, solizi, instalare rapidă,

155

exploatare uşoară), şi dezavantaje (suprafeţe încălzitoare de dimensiuni mari, randamente termice reduse).

În categoria sistemelor de încălzire locală intră sobele cu sau fără acumulare de căldură, sobe cu arderea combustibilului solid, lichid sau gazos, sobe metalice sau din zidărie, etc.

*** În Anexa 2 sunt prezentate principalele Acte normative şi standarde

referitoare la proiectarea, executarea şi exploatarea sistemelor şi instalaţiilor de încălzire [42].

V.11. Consideraţii privind eficienţa energetică la producere Cartea verde privind securitatea energetică, adoptată în noiembrie 2000,

prevede patru principii: - securitatea surselor de energie; - asigurarea pieţei unice de energie; - responsabilitatea protecţiei mediului; - promovarea surselor alternative şi regenerabile. Conform Raportului “Căldura 2004 – 2006”, în structura tehnologică de

producere a energiei electrice şi termice, pe plan mondial şi cu deosebire în UE, se constată următoarele tendinţe şi/sau factori de restricţie [48]:

- schimbări în structura şi ponderea diferitelor surse primare de combustibili fosili;

- creşterea ponderii utilizării surselor alternative sau regenerabile de combustibil;

- înăsprirea reglementărilor privind protecţia mediului; - creşterea ponderii instalaţiilor de cogenerare şi în special a celor de

dimensiuni mici şi mijlocii; - utilizarea ciclului combinat în sistemele de cogenerare; - creşterea ponderii pe piaţă a sistemelor de încălzire centralizată şi în

cadrul acestora creşterea ponderii surselor de energie cu structura în cogenerare; - creşterea caracterului descentralizat (la producere) al sistemului

energetic; - reducerea ponderii utilizării cărbunelui inferior drept sursă energetică

primară, corelată cu introducerea tehnologiei de gazeificare şi utilizarea turbinelor de gaze sau a motoarelor termice.

Toate aceste tendinţe sunt consecinţa eficientizării producerii energiei în condiţii de protecţie sporită a mediului, adică a concepţiei generale de dezvoltare durabilă.

Consumul de energie al UE, de peste 17 milioane Gcal în 2002, a avut ca surse primare: petrolul 43%, gazul natural 23% şi cărbunele 13%. Ponderea cărbunelui a scăzut de două ori în ultima decadă şi se aşteaptă scăderi ulterioare, datorită aplicării Directivei nr. 80/2001 privitoare la protecţia mediului. În aceeaşi perioadă, consumul de energie produsă din surse alternative sau regenerabile a crescut semnificativ.

Energia hidro a crescut, în ultima decadă, cu 27%, ajungând la 5% din totalul energiei. Energia din surse regenerabile (geotermică, biomasă, solară,

156

eoliană) a crescut de 4 ori. Cea eoliană a făcut un salt spectaculos, UE deţinând în prezent o capacitate instalată de peste 25.000 MW, estimându-se pentru anul 2010, peste 75.000 MW.

Soluţia pentru o energie ieftină şi relativ curată pentru sistemele de încălzire centralizată este obţinerea ei în instalaţii cu structura în cogenerare, indiferent de sursa de combustibil. Ponderea sistemelor de cogenerare în totalul producţiei de energie electrică, în câteva ţări europene, în anul 1999, este prezentată în Tabelul 5.1 [48].

Tabelul 5.1

Media UE xxxxxxxx Suedia xx Spania xxx Portugalia xxxx Polonia xxx Olanda xxxxxxxx Italia x xxx Germania xxxxxxxx xxx Finlanda xxx xxx Danemarca xxxxxx Austria xxx Anglia xx xxx

10% 20% 30% 40% 50% xxx - Obiectiv pentru 2010

Conform aceluiaşi raport, energia totală produsă în România, în anul

2002, a fost de circa 0,3 milioane Gcal şi cea consumată de 0,4 milioane Gcal. Rezervele de tiţei ale României, la nivelul anului 2004, se ridică la 1,6 milioane barili, cu o producţie de circa 120.000 barili/zi, iar consumul de tiţei pentru anul 2010 se estimează la circa 310.000 barili/zi [48].

Rezervele de gaz natural sunt estimate la 350 miliarde Nm3, suficiente doar pentru 25 ani la consumul actual. Pentru anul 2010 se estimează un consum de 21 miliarde Nm3 (din care doar 8 miliarde Nm3 din surse interne), iar pentru producerea de energie, se estimează un consum de 4 miliarde Nm3.

Rezervele estimate de cărbune sunt de circa 4 miliarde tone, majoritatea fiind rezerve de lignit de calitate inferioară, iar producţia anuală este de circa 25 – 30 milioane tone.

Potenţialul hidroenergetic al ţării este de circa 10.000 MW (luând în calcul şi amenajările mici şi medii), în prezent fiind făcute amenajări doar pentru 20% din potenţial.

Pentru sistemele de termoficare, în România se estimează un necesar anual de 30 milioane Gcal, (în prezent sunt circa 2,1 milioane de consumatori individuali). De asemenea, se estimează că peste 75% din totalul de energie se va produce în instalaţii de cogenerare, restul fiind preluat din instalaţii ce produc numai energie termică. Cantitatea de 75% din energia termică necesară

157

sistemelor de termoficare, la nivelul ţării, produsă prin instalaţii de cogenerare asigură şi o cantitate adiţională de 10 milioane MWh/an.

Conceptul de energie durabilă sau curată, se referă la surse regenerabile. Spre deosebire de combustibilii fosili (rezerve limitate) acestea sunt practic inepuizabile şi nu emit poluanţi în atmosferă.

Sursele regenerabile includ: energia eoliană, energia solară, utilizarea biomasei, energia hidro.

În România, producţia energiei eoliene are condiţii favorabile. Astfel, se prevede realizarea, până în anul 2010, a unei capacităţi de 550 MW, cu o dezvoltare pe termen lung de până la 3000 MW. Viteza medie a vântului pe coasta Mării Negre, platoul Dobrogei şi sudul Moldovei este între 5–7 m/s. O instalaţie eoliană cu o capacitate de 600 KW, la aceste viteze, ar asigura o producţie anuală de 0,5 GWh.

Radiaţia solară, în regiunile rurale ale României, variază între 5 – 6 KWh/m2zi, vara şi 0,6 – 1,2 KWh/m2zi, iarna. Realizarea încălzirii prin utilizarea energiei solare este cea mai eficientă. Colectoarele de încălzire convertesc 25 – 40% din energia radiantă în căldură. În prezent, în România, aria de colectare utilizată nu depăşeşte 0,045% din cea potenţial posibilă.

Biomasa (plante cu creştere rapidă, reziduuri agricole, reziduuri de lemn) poate fi o sursă de energie curată şi ieftină, cu utilizare mai ales în zone rurale compacte, chiar în structuri de cogenerare.