Raport științific

privind implementarea proiectului PN-II-RU-PD-2012-3-0144- Elemente inovante de

anvelopa ventilată pentru recuperarea aportului de căldura solară în clădirile cu consum

energetic redus/Innovative ventilated envelope elements for solar heat recovery în low

energy buildings (SOLAIR) în perioada IANUARIE– DECEMBRIE 2014

1. Introducere generală

Cererea de energie în domeniul construcțiilor este determinată în primul rând de Sistemele de tip HVAC

(încălzire, ventilație și aer condiționat). Condițiile climatice locale influențează în mod direct consumul de

energie al clădirilor prin intermediul sistemelor HVAC, fie că vorbim despre un sistem de încălzire sau de

răcire. Unul din scopurile principale ale inginerilor este stabilirea unui nou mod de a obține confortul

termic optim al ocupanților fără costuri suplimentare de energie. Aerul proaspăt trebuie tratat atunci când

este introdus în clădirile, proces care poate implica costuri suplimentare în consumul de energie. Când

permeabilitatea la aer a clădirilor nu este controlată, pierderile de căldură pot fi de până la 30% din total,

astfel încât suntem obligați să izolăm dar și de a găsi modalități noi și mai puțin costisitoare pentru a

introduce aer proaspăt în clădiri. În general, sectorul construcțiilor utilizează până la 35,3% din necesarul

total de energie [1, 2], fiind necesară o reorientare a noastră de abordare a surselor de energie

regenerabilă.

Elementele perforate de anvelopă ventilată cu absorbție a radiației solare (sau colector solar) sunt realizate

din placi de metal cu perforații, poziționate pe suprafața exterioară a pereților. Aerul este aspirat prin

aceste perforații, încălzindu-se și transferând ulterior în clădire energia colectată de la soare.

O schema a acestui tip de colector solar este așa cum este ilustrat în Fig. 1b) . Placa de metal perforata este

încălzită de către radiația solară , iar cu ajutorul unui ventilator se va crea presiune negativă în cavitatea de

aer, aerul fiind forțat sa treacă prin perforațiile plăcii.

a) b) c)

Fig. 1: Fațade ventilate solare: a) Perete Trombe clasic, b) Colector solar perforat, c) Implementarea geometriilor lobate în fațada solară

Aerul este în general preluat din partea superioară a peretelui ventilat (datorită gradienților de

temperatură a aerului din cavitate) asigurând astfel transferul optim convectiv intre placa și aer, iar apoi

este distribuit în clădire prin intermediul sistemului de ventilație . În condiții de vară , sistemul poate

funcționa doar în timpul nopții pentru ventilație tip "free cooling", în timp ce în timpul zilei stratul de aer

are un rol izolator. Geometriile lobate au fost intens analizate în diferite studii în cadrul echipei de

cercetare CAMBI [3-8].

2. Obiective și desfășurarea proiectului

Proiectul își propune îmbunătățirea elementelor de anvelopă perforată prin optimizarea transferului de

căldură între placă și aer. Sunt propuse noi geometrii pentru perforații, care favorizează transferul de

căldură. Proiectul a fost organizat în jurul a cinci obiective principale. Fiecare obiectiv este împărțit în mai

multe acțiuni (tasks).

În urma redistribuirii bugetului, proiectul a fost prelungit până la data de 31 octombrie 2015. Etapele au

fost reorganizate, rezultând trei perioade de desfășurare a proiectului:

Etapa I (mai‐decembrie 2013). In cadrul acestei etape s-a realizat studiu bibliografic precum și o parte din

studiile experimentale și numerice necesare pentru construcția modelului de fațadă solară ventilată.

(Încheiată)

Etapa II (ianuarie‐decembrie 2014). Această etapă presupune finalizarea Obiectivului 3 din propunerea de

proiect (construcție prototip Fațadă Solară Perforată) prin realizarea a două sub-obiective, descrise mai jos.

(Încheiată)

Etapa III (ianuarie –octombrie 2015). Etapa a treia va presupune finalizarea proiectului și obținerea

rezultatelor urmărite. (În curs de începere)

Astfel, în anul 2014 nu au fost realizate niciun fel de achiziții majore, proiectul derulându-se pe baza

achizițiilor anterioare. Conform noului plan de realizare, etapa din 2014 presupune 2 obiective : O-II-1

Analiza numerică și experimentală a elementului de fațadă ventilată și O-II-2 Realizare prototip

experimental pentru peretele solar ventilat, fiecare obiectiv având sarcini specifice.

Obiectivul O-II-1 presupune continuarea și aprofundarea studiilor jeturilor generate de diferite geometrii

utilizate ulterior pentru realizarea prototipului final de anvelopă ventilată din prima etapă.

Fig. 2: Geometrii utilizate pentru realizarea ulterioară a prototipului final de anvelopă ventilată

Mai mult, prin crearea unui nou model cu placă de metal cu grosime de 1 mm, am obținut rezultate mai

bune, în concordanță cu rezultatele experimentale.

Modelul de turbulență ales a fost k-ω SST, în acord cu studiile anterioare efectuate pe perforații lobate [6].

Domeniul de calcul (fig. 3) a fost compus din două părți separate de o placă de metal de 1,0 mm (0.10De)

grosime. Studiul a folosit condiții de simetrie, în scopul de a obține un domeniu mai mare. Aspirația prin

perforații are loc la -5Pa condiție limită la ieșire.

s

Fig. 3 Exemplu de discretizare și modelul utilizat pentru modelul numeric propus

Validarea rezultatelor a decurs în concordanță cu așteptările. Modelul numeric s-a comportat în

conformitate cu cel experimental. Au fost realizate două campanii experimentale de validare: validare din

punct de vedere termic (Fig. 5) și validare din punct de vedere dinamic (Fig. 6).

a) b) c)

Fig. 4 Câmpuri CFD ale modelului cu perforații lobate: a) viteză [m/s], b) temperatură [°C]; c) distribuția temperaturii pe placa perforată

a) b) c) d)

Fig. 5 : Setup experimental pentru analiza termică a modelului: a) detaliu cutie cu placa perforată: 1- inlet; 2- outlet; b) stand măsurare: lampă, cutie, aspirație: 3- punct de măsură pentru temperatură și viteză;c)

3 2

1

a) b)

Fig. 6 a) Setup experimental măsurări PIV: 1- placa perforată; 2- ieșire; 3- laser; 4- camera; b) soft achiziție date PIV;

Modelul numeric obținut este stabil și generează rezultate satisfăcătoare, putând fi implementat pe viitor

în alte unelte de analiză a eficacității. Singurul dezavantaj al acestui model de tip CFD este că nu pot fi

create geometrii mari, de scară mare, care ar genera grile de calcul imposibil de rezolvat pe computere

care nu sunt de tip cluster.

Obiectivul O-II-2 a fost realizat urmărind două direcții de cercetare: realizarea unui stand experimental

exploatat în condiții reale și realizarea unui stand de scară mare exploatat în condiții de laborator.

Modelul testat în condiții de laborator a fost construit pe doua dimensiuni, fiecare prototip având câte un

ventilator care aspiră aerul, forțându-l să treacă prin perforații.

a) b)

c) d)

Fig. 7 a) Model 10x10 cm; b) Model 20x20 cm; c) Comparație dimensiune; d) Ventilatoarele montate pentru aspirație

In cazul modelului la scară mare, testele au fost realizate în condiții de laborator. A fost construită o

machetă a unui perete ventilat, pe care s-au suprapus diferite plăci metalice perforate. Aspirația se

realizează cu ajutorul unei fante plasate în spatele plăcii de metal, aerul fiind forțat să traverseze această

placă perforată. Aerul a fost extras cu ajutorul unui ventilator cu turație variabilă, care permite generarea

unei game largi de debite, între 20 și 1680 m3/h. Atât elementele constructive ale prototipului cât și

canalele de aer pentru aspirație au fost izolate termic.

2

4 3

1

Fig. 8 a) Modelele de placă perforată utilizate în timpul experimentelor

Prototipul de fațadă solară ventilată a fost etanșeizat cu scopul de a avea infiltrații de aer rece. Cu ajutorul

sondelor de temperatură amplasate înainte și după elementul de fațadă s-a determinat diferența de

temperatură determinată de transferul de căldură între placă și aer. Cu ajutorul unui anemometru cu

confuzor a fost determinat debitul de aer.

a) b)

c)

Fig. 9 Standul experimental utilizat a) prototip de fațadă solară ventilată; b)simularea radiației solare cu lămpi cu halogen; c)cuplarea

fațadei cu tubulatura de aspirație

Exploatarea modelului experimental de scară mare s-a realizat prin analiza rezultatelor pentru game mai

mari de debit față de campaniile de măsurări de până acum, de până la 300 m3/h, după cum se vede în

figura de mai jos.

Fig. 10 Exploatarea modelului experimental de scară mare pentru gama de debit 20-300 m3/h

3. Diseminarea proiectului

Etapa a doua a proiectului de cercetare a început în ianuarie 2014, având ca termen de final decembrie

2014. In perioada cuprinsă în această etapă, s-a participat la 3 conferințe și la o prezentare a proiectului la

Academia Română - Seminar cu tema Energia Solară.

a) b)

c) d)

Fig. 11 : a)Prezentare co-autor pentru articolul [9] la SGEM 2014; b)Prezentare orala Indoor Air 2014; c)Salonul Cercetării 2014;

d)Prezentare orală YRC 2014

Au fost scrise mai multe articole indexate ISI sau BDI (dintre care 2 articole cu acknowledgments în reviste

BDI: Mathematical Modelling în Civil Engineering și Revista Romană de Inginerie Civilă). De asemenea,

proiectul a fost prezentat sub forma de roll-up în cadrul Salonului Cercetării 2014.

Mai mult, roll-up-ul cu proiectul SOLAIR a fost dus la site-ul echipei EFdeN de la Versailles în cadrul

concursului Solar Decathlon 2014, prototipul propus în proiect fiind una din soluțiile de eficiență energetică

luate în calcul.

In iunie s-a prezentat proiectul în cadrul Conferinței SGEM 2014-Albena Bulgaria: s-a realizat un poster,

prezentat sub forma de prezentare orală, iar articolul a fost publicat în volumul conferinței. In iulie s-a

prezentat proiectul în cadrul Conferinței INDOOR AIR 2014-Hong Kong China:prezentare orală, iar articolul

a fost publicat în volumul conferinței. In urma peer-review-ului articolul a fost selectat pentru a fi publicat

în 2015 în revista de specialitate International Journal of HVAC&R Research. Cea de-a treia prezentare în

cadrul unei conferințe a fost cu ocazia Conferinței Tinerilor Cercetători din UTCB, YRC 2014.

Pagina web a proiectului (http://www.cambi.ro/solair) a fost adusă la zi cu informațiile rezultate din etapa

curentă (Figura 12).

Fig. 12 : Site-ul proiectului de cercetare SOLAIR actualizat în 2014: http://www.cambi.ro/solair

Director proiect

Dr. Ing. Cristiana Verona CROITORU,

______________

1. IEA, Renewables for heating and cooling: untapped potential. France: OECD/IEA;. 2007. 2. Chan, H.-Y., S.B. Riffat, and J. Zhu, Review of passive solar heating and cooling technologies. Renewable and

Sustainable Energy REviews, 2010. 14(2): p. 781-789. 3. Bode, F., A. Meslem, and C. Croitoru, Numerical simulation of a very low Reynolds cross-shaped jet.

Mechanics, 2013. 19(5): p. 512-517. 4. C. Croitoru, F.B., I. Nastase Influence of longitudinal vortices on heat transfer for airflow passing through an

innovative solar facade. Mathematical Modelling of Civil Engineering, 2013. December. 5. CROITORU C., N., I., BODE, F., MESLEM A. . Innovative solar facade implementation in low energy buildings in

Indoor Air 2014. 2014. Hong Kong. 6. Florin BODE, I.N., Cristiana CROITORU, RANS models comparison for a cross-shaped jet flow with straight

lobes. Mathematical Modelling in Civil Engineering, 2012. 8(4): p. 14-20. 7. Meslem, A., et al., Comparison of turbulence models in simulating jet flow from a cross-shaped orifice.

European Journal of Mechanics-B/Fluids, 2014. 44: p. 100-120. 8. Meslem, A., et al., Flow dynamics and mass transfer in impinging circular jet at low Reynolds number.

Comparison of convergent and orifice nozzles. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2013. 67: p. 25-45.

9. Cristiana Croitoru, F.B., Ilinca Nastase, Angel Dogeanu, Amina Meslem. Innovative solar wall performance study for low energy buildings applications. in SGEM. 2014. Albena-Bulgaria.

Director proiect

Dr. Ing. Cristiana Verona CROITORU,

______________