Îndrumar de calcul pentru aplicații de utilizarea energiei termice. Culegere de aplicații pentru studenți

CUVÂNT ÎNAINTE

Lucrarea ÎNDRUMAR DE CALCUL PENTRU APLICAȚII DE UTILIZAREA ENERGIEI TERMICE are ca scop sprijinirea procesului didactic al studenților, oferind aplicații rezolvate și studii complexe de caz, având ca scop eficientizarea utilizării energiei termice în procesele energetice. Acestea sunt clar structurate și explicate, constituind un ghid practic care să faciliteze înțelegerea teoretică, aprofundarea cunoștințelor din cadrul disciplinelor studiate, precum și dezvoltarea abilităților practice. În cadrul fiecărui capitol sunt propuse aplicații similare celor rezolvate, cu ajutorul cărora studenții au posibilitatea să exerseze metodologiile de calcul prezentate de autori. Aplicațiile și studiile de caz prezentate sunt ancorate în realitatea actuală din mediul industrial și economic, prezentând procese și tehnologii actuale din platformele industriale.

Tematica tratată în lucrare este foarte variată, acoperind o serie importantă de discipline din programele de licență și master în care autorii sunt implicați la nivel de curs sau/și de seminar.

Lucrarea se adresează studenților din anii III și IV ai programelor de licență din cadrul Facultății de Energetică (Utilizarea energiei, Audit termoenergetic, Producerea energiei electrice și termice) și FAIMA (Tehnologii și oportunități de afaceri în domeniul energetic) de la Universitatea Națională de Știință și Tehnologie Politehnica București, în vederea îmbunătățirii capacității de realizare a unor calcule inginerești de complexitate medie și ridicată.

De asemenea, lucrarea este recomandată pentru aplicații și studii de caz inginerilor care frecventează cursurile programelor de masterat Eficiență Energetică (Gestiunea energiei termice) și Servicii Energetice (Finanțarea proiectelor energetice, Sisteme de alimentare cu energie termică) din cadrul Facultății de Energetică.

Prima parte a lucrării este dedicată aplicațiilor de recuperare a căldurii produse sub formă de RES de diferite procese industriale. Conform normelor de realizare a auditului energetic, este deosebit de important să se stabilească referința, în ceea ce privește conținutul de energie disponibilă în resursa care urmează să fie folosită. Prepararea de apă caldă tehnologică sau de consum urmează logica recuperării disponibilului de energie identificat anterior.

Pierderile de căldură prin conductele de transport al agenților termici reprezintă încă o problemă insuficient abordată în practică. Aplicația prezentată în lucrare reliefează cât de important este nivelul acestor pierderi, mai ales când apare un exces de gabarit al conductelor aflate în exploatare, în raport cu cererea actuală de energie termică.

Indicatorii specifici pentru consumul de energie într-un site industrial fac parte din elementele de bază pentru înțelegerea conceptului de Sistem de Management al Energiei ISO 50001. Aplicația detaliată în lucrarea de față oferă primele informații legate de modul în care se poate trata consumul de energie în industrie de o manieră profesionistă.

Izolația termică a suprafețelor fierbinți oferă proiecte de eficiență energetică cu durate de recuperare a investiției extrem de reduse. Aceste abordări ocupă, în prezent, locuri prioritare în planurile de investiții, odată cu dezvoltarea tehnologiilor de izolare cu mantale amovibile, care rezolvă orice geometrie a unui corp industrial emițător de căldură.

Nu putea lipsi din lista de măsuri de eficiență energetică propuse prin acest îndrumar preîncălzirea aerului de ardere din recuperarea căldurii gazelor de ardere produse la încălzirea materialelor tehnologice. Aplicația este clasică, oferind cel mai bun exemplu posibil de recuperare a RES în direcție tehnologică.

Stocarea energiei termice pentru eficientizarea consumului de combustibil intră, prin conceptul abordat, în zona de management energetic avansat. Nesimultaneitatea producerii RES cu nevoia de căldură pentru procesele secundare duce la intervenția unui mediu de stocare capabil să coreleze cele două curbe, făcându-le compatibile. Nu putea lipsi din această listă utilizarea ciclurilor de tip ORC, foarte prezente în ultimul deceniu, de când problematica reducerii de emisii de gaze cu efect de seră la producerea energiei electrice a devenit o chestiune de maximă urgență.

Perdelele termice sunt bine cunoscute și utilizate pe scară largă. Aplicația prezentată pe această temă își propune să verifice care este fezabilitatea acestei soluții în contextul actual de preț al energiei electrice și termice.

Climatizările industriale ocupă în totalitate a doua parte a listei de propuneri pentru prezenta lucrare. Încălzirea globală, creșterea duratei sezonului cald și a temperaturilor maxime pe timpul verii au dus la o cerere din ce în ce mai pronunțată pentru tehnologii moderne, agile și cu consumuri de energie cât mai reduse. Sistemul free-cooling este descris în detaliu, subliniind performanțele energetice deosebite ale acestei aplicații. Răcirea adiabatică este vedeta acestor ani, prin oferirea unor consumuri de căldură deosebit de reduse pentru o parte importantă din cererea de confort termic a halelor industriale.

Pompele de căldură au un loc aparte între măsurile de eficiență energetică, mai ales în contextul de decarbonizare, de eliminare a utilizării combustibilor fosili. O utilizare inedită a lor este recuperarea căldurii reziduale conținute în aerul viciat din parcările subterane sau din galeriile de metrou pentru producerea de agent termic destinat încălzirii sau preparării de apă caldă. Sistemele VRF sunt descrise împreună cu performanțele lor deosebite în asigurarea confortului din clădirile de birouri din marile orașe.

Aplicații din zona hypermarketurilor sau a deplasării curbei de sarcină electrică oferă informații prețioase pentru cei care auditează astfel de contururi tehnologice cu mare potențial de economisire a energiei. Depozitele frigorifice sunt și ele vizate de o aplicație, care introduce conceptul de frig rezidual, o resursă din ce în ce mai interesantă, pentru cei care caută să îmbunătățească orice utilizare a energiei în zonele urbane.

Inteligența artificială și centrele de date reprezintă în prezent surse de energie deosebit de importante, cu posibilități serioase de recuperare și utilizare în rețele de alimentare centralizată cu căldură și frig pentru orașele inteligente. În premieră pentru mediul studențesc, se prezintă primele date legate de eficiența tehnică și economică a unor astfel de aplicații. Așteptăm ca viitorul imediat să confirme estimările prezentate.

Traversăm în prezent o perioadă cu progrese tehnologice deosebit de importante. Auditorii energetici au la îndemână noi și noi metode de valorificare a RES-urilor de orice fel, investițiile specifice tind să coboare, noi aplicații apar din ce în ce mai rapid. Considerăm că lucrarea de față face o trecere în revistă a acestor tendințe moderne în domeniul nostru de activitate, utilă tuturor celor care doresc să fie permanent la curent cu toate propunerile pe care cercetarea le pune deja pe masa inginerilor din domeniul eficienței energetice.

Autorii țin să mulțumească Prof.dr.ing. Radu PENTIUC și Conf.dr.ing. Andrei CECLAN pentru îndrumările oferite de-a lungul realizării prezentei lucrări. De asemenea, mulțumirile echipei de autori sunt adresate Prof.dr.ing. Victor ATHANASOVICI și Prof.dr.ing. George DARIE pentru sprijinul permanent adus, de-a lungul timpului, la îmbunătățirea elementelor predate în programele de aplicații din întreaga istorie a Facultății de Energetică.

CUPRINS

1. Calculul potențialului de recuperare a căldurii conținute în aerul tehnologic 18

2. Calculul potențialului de utilizare a căldurii recuperate pentru prepararea apei calde 24

3. Calculul pierderilor de căldură pentru o conductă preizolată de distribuție a apei calde 29

4. Calculul indicatorilor energetici specifici utilizării energiei pe o platformă industrială 56

5. Analiza eficienței măsurii de refacere a izolației termice pentru vanele de abur din rețelele termice industriale 67

6. Analiza eficienței măsurii de recuperare a căldurii gazelor de ardere pentru preîncălzirea regenerativă a aerului de ardere (Pa) pentru un cuptor industrial alimentat cu combustibil fosil 78

7. Analiza eficienței măsurii de recuperare a căldurii gazelor de ardere pentru preîncălzirea materialelor tehnologice (Pmt) pentru un cuptor industrial alimentat cu combustibil fosil 87

8. Analiza soluțiilor de stocare a energiei termice pentru eficientizarea consumului de combustibil 95

9. Calculul potențialului de recuperare a căldurii reziduale printr-un ciclu orc (Organic Rankine Cycle) 100

10. Analiza soluțiilor de utilizare a perdelei termice pentru o hală industrială sau un depozit 105

11. Analiza soluției de modernizare a unei centrale de tratare a aerului (Cta) pentru o hală industrială 121

12. Analiza utilizării sistemului de free-cooling la climatizarea unei hale industriale 128

13. Analiza utilizării răcirii adiabatice pentru climatizarea unei hale industriale 134

14. Analiza unui sistem în cascadă de pompe de căldură pentru recuperarea căldurii aerului viciat dintr-o parcare subterană sau galerie de metrou 140

15. Analiza unui sistem vrf cu recuperare de căldură pentru funcționare simultană în regim de răcire și încălzire 147

16. Analiza unui sistem de recuperare a căldurii de la instalația frigorifică a unui supermarket 153

17. Analiza unui sistem de stocare termică cu materiale cu schimbare de fază (Pcm) cuplată cu o pompă de căldură, pentru deplasarea sarcinii electrice 158

18. Analiza soluției de răcire peliculară a echipamentelor din clădirile de tip data-center 164

19. Analiza unui sistem de recuperare a căldurii de la un centru de date AI, pentru acoperirea necesarului de încălzire și răcire al unei zone rezidențiale 171

20. Analiza unui sistem de recuperare a aerului rece evacuat de la un depozit frigorific, pentru răcirea aerului de admisie al unei turbine cu gaze și creșterea puterii electrice produse vara 177

APRECIERI

Utilizarea eficientă a energiei termice este o preocupare importantă pentru industrie și pentru sistemele de alimentare cu energie termică. Reducerea pierderilor, recuperarea căldurii reziduale și alegerea unor soluții adecvate de încălzire, răcire și stocare necesită specialiști capabili să transforme datele tehnice în calcule, comparații și măsuri concrete. În acest context, pregătirea prin aplicații are un rol esențial. Considerăm că lucrarea de față oferă studenților ocazia de a exersa metode de analiză a consumurilor și a fluxurilor de energie termică pe exemple apropiate de practica inginerească.

„Îndrumarul de calcul pentru aplicații de utilizare a energiei termice” prezintă principii teoretice și modul de aplicare a acestora în situații concrete, aducând o contribuție importantă la pregătirea viitorilor specialiști în sectorul energetic. Lucrarea prezintă aplicații practice privind recuperarea căldurii reziduale, reducerea pierderilor din rețelele termice, stocarea energiei și utilizarea eficientă a soluțiilor moderne de încălzire și răcire.

Apreciem în mod deosebit caracterul aplicativ al acestei culegeri și diversitatea scenariilor analizate. Pe lângă utilitatea sa incontestabilă pentru studenți, lucrarea reprezintă, din punctul nostru de vedere, un material de referință și pentru specialiștii care se pregătesc să obțină autorizarea ca auditori energetici pentru industrie, îndeosebi pentru auditul termoenergetic și pentru componenta termică a auditului energetic complex. Temele abordate sunt de actualitate și în acord cu obiectivele politicii naționale în domeniul eficienței energetice, vizând, în principal, modernizarea rețelelor termice și valorificarea resurselor energetice.

Apreciem că această inițiativă reafirmă importanța parteneriatului dintre mediul academic și administrația centrală, în speță Ministerul Energiei. Noi, reprezentanții Compartimentului Eficiență Energetică, felicităm autorii acestei lucrări, elaborate sub coordonarea domnului profesor Ioan Bitir-Istrate, pentru această contribuție importantă la formarea noilor generații de specialiști.

Dănuț GRIGORIU
Direcția Generală Energie,
Ministerul Energiei

Lucrarea Îndrumar de calcul pentru aplicații de utilizarea energiei termice – Culegere de aplicații pentru studenți se înscrie într-o zonă deosebit de importantă a formării inginerești contemporane, aceea a trecerii de la cunoașterea teoretică a fenomenelor energetice la capacitatea de a le analiza, cuantifica și valorifica în aplicații reale. Prin concepție, structură și tematica abordată, lucrarea reprezintă un instrument didactic și profesional relevant pentru pregătirea specialiștilor în energetică, eficiență energetică și utilizarea rațională a energiei.

Un prim element de valoare îl constituie caracterul profund aplicativ al lucrării. Autorii nu se limitează la prezentarea unor relații de calcul, ci construiesc aplicații inginerești complete, în care datele de intrare, ipotezele, metodologia, etapele de calcul și interpretarea rezultatelor sunt puse într-o succesiune logică, apropiată de modul în care un inginer trebuie să abordeze o problemă energetică reală. Această abordare este deosebit de potrivită pentru studenții din anii terminali ai programelor de licență, pentru studenții programelor de masterat, chiar de doctorat.

O contribuție importantă a lucrării este îmbinarea calculului energetic cu analiza eficienței tehnico-economice. Tematica pornește de la recuperarea căldurii din fluxuri tehnologice și utilizarea acesteia pentru prepararea apei calde, continuă cu analiza pierderilor de căldură în conducte, indicatorii energetici specifici, refacerea izolațiilor și recuperarea căldurii gazelor de ardere și ajunge la domenii moderne precum stocarea energiei termice, ciclurile ORC, free-cooling, răcirea adiabatică, pompele de căldură, sistemele VRF și recuperarea căldurii din instalații frigorifice.

Din perspectiva specialistului în eficiență energetică și audit energetic, consider deosebit de valoroasă orientarea lucrării către identificarea și valorificarea resurselor energetice secundare. Într-un sistem energetic performant, energia care altfel ar fi evacuată în mediul ambiant trebuie privită ca o resursă potențial valorificabilă, iar lucrarea dezvoltă tocmai această perspectivă. Aplicațiile privind recuperarea căldurii din aer tehnologic, gazele de ardere, instalațiile frigorifice sau centrele de date demonstrează modul în care principiile eficienței energetice pot fi transpuse în soluții concrete.

Un merit aparte îl reprezintă rigoarea metodologică. În aplicațiile prezentate, autorii atrag atenția asupra unor aspecte care, în practica energetică, pot genera erori importante: alegerea condițiilor de referință pentru debitele de gaze, variația proprietăților termofizice cu temperatura, necesitatea verificării limitelor tehnologice, calculul iterativ al rezistențelor termice și verificarea erorilor de calcul. Prin această manieră de prezentare, studentul este învățat nu numai „să aplice o formulă”, ci să verifice dacă rezultatul obținut are semnificație fizică și relevanță inginerească.

Lucrarea are, de asemenea, meritul de a evidenția o idee fundamentală pentru practica auditului energetic: recuperarea unei cantități de energie nu este suficientă în sine; trebuie identificat și consumatorul capabil să valorifice această energie în condiții tehnice și economice favorabile. Exemplul privind utilizarea căldurii recuperate pentru preîncălzirea apei tehnologice este ilustrativ în acest sens, deoarece introduce explicit analiza gradului de utilizare a căldurii și dimensionarea corespunzătoare a debitului consumatorului.

Prin varietatea temelor, lucrarea depășește cadrul unei culegeri didactice convenționale și poate fi privită ca o punte între universitate, cercetare și practica energetică industrială. Ea oferă studenților posibilitatea de a întâlni probleme apropiate de cele cu care se confruntă auditorii, proiectanții, managerii de energie și specialiștii implicați în elaborarea și implementarea proiectelor de eficiență energetică.

În ansamblu, Îndrumar de calcul pentru aplicații de utilizarea energiei termice reprezintă o lucrare bine fundamentată, actuală și utilă, cu o pronunțată valoare didactică și inginerească. Prin caracterul său aplicativ și diversitatea problematicilor energetice abordate, prin orientarea către cuantificarea efectelor tehnice și economice ale măsurilor de eficiență energetică, lucrarea contribuie la formarea unei competențe esențiale pentru inginerul energetician contemporan: capacitatea de a transforma principiile eficienței energetice în soluții tehnice calculabile, verificabile și aplicabile în practică.

Consider că lucrarea constituie o contribuție utilă la literatura didactică de specialitate și poate reprezenta un suport valoros pentru pregătirea universitară și postuniversitară în domeniul energetic, precum și un instrument de lucru pentru specialiștii interesați de utilizarea eficientă și rațională a energiei.

Prof. dr. ing. Radu-Dumitru PENTIUC
Universitatea din Suceava

Parcurgând lucrarea de față, constat că aceasta acoperă o zonă rămasă în urmă ca actualizare în literatura didactică de specialitate: aplicații practice pe care un student și apoi un inginer trebuie să le efectueze atunci când analizează consumuri, pierderi energetice, resurse recuperabile de energie sau soluții de eficiență energetică.

Materialul este construit în jurul unor aplicații inginerești reale, selectate din domenii care se regăsesc frecvent în activitatea de proiectare, exploatare și audit energetic: recuperarea căldurii reziduale, sisteme termice industriale, rețele de transport al energiei, pompe de căldură, climatizare, stocare termică, instalații frigorifice și sisteme moderne de management energetic.

Fiecare capitol pornește de la o situație tehnică concretă și dezvoltă metodologia de calcul până la obținerea unor indicatori tehnici și economici relevanți pentru luarea unei decizii.

Un aspect care merită evidențiat este orientarea constantă către evaluarea concretă, cantitativă și calitativă a soluțiilor. Autorii nu se limitează la prezentarea unor tehnologii sau concepte generale, ci urmăresc să răspundă la întrebări esențiale pentru orice specialist: câtă energie poate fi recuperată, ce economie de combustibil sau energie se poate obține, care este impactul asupra exploatării instalației și în ce măsură investiția este justificată economic.

Această abordare conferă lucrării un caracter practic și o transformă, dincolo de obiectivul de îndrumar de laborator, într-un instrument care reflectă modul real în care sunt analizate proiectele de eficiență energetică în industrie.

Se remarcă și actualitatea temelor selectate. Pe lângă aplicațiile clasice din domeniul energetic, sunt introduse soluții care au devenit relevante în ultimii ani: cicluri ORC, sisteme de free-cooling și răcire adiabatică, recuperarea energiei din centre de date, stocarea termică cu materiale cu schimbare de fază sau integrarea pompelor de căldură în procese de valorificare a resurselor energetice secundare. Aceste subiecte reflectă direcțiile actuale de dezvoltare ale sectorului energetic și oferă studenților o perspectivă apropiată de realitatea tehnologică existentă în prezent.

Din punct de vedere didactic, lucrarea reușește să mențină un echilibru între rigoarea calculelor și accesibilitatea prezentării. Exemplele rezolvate pentru studenți sunt suficient de detaliate pentru a permite urmărirea logicii de calcul, iar aplicațiile propuse oferă posibilitatea verificării și consolidării cunoștințelor dobândite. În acest mod, culegerea poate fi utilizată atât ca suport pentru activitățile din școală, cât și ca material de studiu individual, inclusiv pentru auditori și manageri energetici.

În ansamblu, lucrarea reprezintă un instrument practic pentru formarea competențelor de analiză energetică și pentru dezvoltarea unei abordări bazate pe calcule, bilanțuri și indicatori de performanță energetică. Prin caracterul său aplicativ și prin varietatea temelor abordate, ea poate constitui o resursă valoroasă atât pentru studenții din domeniul energetic, cât și pentru inginerii interesați de evaluarea și implementarea de soluții de eficiență energetică.

Conf.univ.dr.ing. Andrei CECLAN
Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca

În prezent, concomitent cu degradarea calității aerului din cauza diverșilor factori de poluare, climatizarea a devenit o cerință esențială. În societățile moderne populația își petrece cea mai mare parte a timpului în medii interioare (birouri, spații comerciale, hale industriale etc.).

De aceea, este vital ca aceste medii să ofere un climat sănătos și care să îndeplinească condițiile confortului termic.

Sistemele de încălzire, ventilație și aer condiționat (HVAC) pot fi întâlnite aproape la toate construcțiile rezidențiale, comerciale și industriale.

Tipurile de probleme prezentate în lucrarea de față reprezintă subiecte de actualitate, foarte des întâlnite în practică, iar abordarea acestora trebuie să fie în acord cu cerințele de Eficiență Energetică și Mediu.

Prin urmare, realizarea acestei lucrări, cu exemplificarea problemelor din diverse sectoare de activitate, prezintă o deosebită importanță atât pentru studenți, cât și pentru persoanele implicate direct în sectorul Energiei.

Dr.ing. Marian VOINEA
Director General ETT-HVAC România

DESPRE AUTORI

Dr.ing. Ioan BITIR-ISTRATE este specialist recunoscut în domeniul energetic, Conferențiar la Facultatea de Energetică, Universitatea Națională de Știință și Tehnologie Politehnica București, cu peste 23 de ani de experiență în Audituri energetice, Studii de fezabilitate și Strategii energetice. Ocupă funcția de Vicepreședinte al Societății Auditorilor și Managerilor Energetici din România. A fost implicat în proiecte cu Banca Mondială și are o activitate academică importantă în domeniul energiei și eficienței energetice.

Mihaela NORIŞOR, Doctor în inginerie energetică, Universitatea Națională de Știință și Tehnologie Politehnica București. Competențe în: analizarea diferitelor metode de captare și stocare CO₂-lui, optimizarea din punct de vedere al consumului de energie a integrării tehnologiilor de captare CO₂ în cadrul unităților energetice. Este Prodecan al Facultății de Enegetică însărcinat cu învățământul și managementul academic și al calității.

Roxana PĂTRAȘCU este Profesor și Conducător de doctorat la Facultatea de Energetică, Universitatea Națională de Știință și Tehnologie Politehnica București. Desfășoară, de peste 35 de ani activități didactice și de cercetare în domeniile: Eficiență Energetică, Managementul energiei, Sisteme de alimentare cu căldură, Cogenerare, Integrarea surselor regenerabile în sistemele de alimentare cu energie. Autoare a peste 150 de articole științifice în reviste de specialitate și volume în cadrul conferințelor interne și internaționale.