Sisteme solar termice

PREFATA

Energia solara este una din formele de energie din surse regenerabile prin conversia careia se pot obtine energia termica si energia electrica necesare in majoritatea domeniilor de activitate. Energia solara are multe avantaje: este inepuizabila, curata si accesibila. Principalul dezavantaj este reprezentat de variabilitatea energiei solare generata de conditiile meteorologice, de alternanta zi-noapte si de modificarea anotimpurilor. Astfel, in cele mai multe cazuri, energia solara nu poate fi luata in considerare ca o sursa energetica de baza, fiind necesara o sursa auxiliara si/sau sisteme de stocare a energiei termice.

Cartea este structurata pe trei capitole referitoare la aspectele teoretice si practice ale sistemelor solar termice.

In primul capitol este abordata problema consumului de energie si a problemelor generate de modul de producere al acesteia fiind prezentate evolutia consumului de energie si a populatiei la nivel global si regional, evolutia ponderii surselor de energie primara, evolutia emisiilor de gaze cu efect de sera si a temperaturii globale, evolutia consumului de energie si al emisiilor de gaze cu efect de sera in principalele sectoare de activitate si metodele de evaluare a necesarului de energie termica in mediul construit.

In capitolul doi sunt definite notiunile specifice utilizate pentru caracterizarea energiei solare si sunt prezentate principalele aspecte referitoare la variabilitatea energiei solare si metodele de evaluare a energiei solare disponibile si captate.

In capitolul trei sunt tratate pe larg sistemele solar termice, incepand de la clasificarea acestora, prezentarea schemelor functionale, descrierea principalelor componente si a rolului lor functional. Este prezentata o metodologie de proiectare a sistemelor solar termice pornind de la conceperea schemei functionale pe baza careia se stabilesc: suprafata necesara de conversie solar termica si numarul de colectoare solar termice, capacitatea boilerului de stocare a energiei termice, modul de interconectare a colectoarelor solar termice si diametrul conductelor utilizate in circuitul solar, pierderile de presiune din circuitul solar, tipul grupului de pompare, a elementelor de siguranta si a sistemului de comanda si control.

In continuare sunt prezentate aspecte referitoare la instalarea, punerea in functiune, exploatarea si mentenanta sistemelor solar termice cu exemplificari pe sistemele solar termice instalate in cele doua locatii ale Centrului de Cercetare Sisteme de Energii Regenerabile si Reciclare, de pe Colina Universitatii si din Institutul de Cercetare Dezvoltare al Universitatii Transilvania din Brasov. In finalul capitolului sunt prezentate principalele aspecte economice specifice sistemelor solar termice, costurile de investitie, operare si mentenanta, termenul de recuperare a investitiei si beneficiile realizabile cuantificate prin valoarea actuala neta a investitiei.

Cartea se adreseaza in principal studentilor de la Programul de studii de licenta Ingineria Sistemelor de Energii Regenerabile. Lucrarea poate fi utilizata si pentru completarea profilului de competente profesionale al absolventilor de studii superioare pentru care a fost dezvoltat programul de formare continua Sisteme Solar Termice Implementate in Mediul Construit. Informatiile sunt utile tuturor celor care doresc sa isi instaleze sisteme solar termice.

Autorul multumeste domnului Profesor Emerit dr. ing. DHC Ion Visa, coordonatorul Centrului de Cercetare Sisteme de Energii Regenerabile si Reciclare din cadrul Universitatii Transilvania din Brasov, colegilor din acest centru de cercetare si familiei pentru intregul sprijin acordat.

Macedon Dumitru MOLDOVAN

CUPRINS

1. ENERGIA IN MEDIUL CONSTRUIT 9
1.1. Consumul de energie la nivel global si regional 9
1.2. Consumul de energie in mediul construit 13
1.3. Evaluarea necesarului de energie termica in mediul construit 15

2. ENERGIA SOLARA 25
2.1. Generalitati 25
2.2. Variabilitatea energiei solare 27
2.3. Metode de evaluare a energiei solare disponibile si captate 34
2.3.1. Evaluarea energiei solare prin masurare 34
2.3.2. Evaluarea energiei solare prin aplicatii dedicate 39
2.3.3. Evaluarea energiei solare prin metode analitice 45

3. SISTEME SOLAR TERMICE 63
3.1. Clasificarea sistemelor solar termice 63
3.1.1. Sisteme solar termice cu circulatie naturala 64
3.1.2. Sisteme solar termice cu circulatie fortata 68
3.2. Componentele sistemelor solar termice 71
3.2.1. Colectorul solar termic 72
3.2.2. Stocatorul de energie termica 83
3.2.3. Pompe hidraulice si grupuri de pompare 88
3.2.4. Vase de expansiune 91
3.2.5. Elemente de siguranta 92
3.2.6. Controlere solare 94
3.2.7. Sursa auxiliara 96
3.2.8. Schimbatoare de caldura externe 97
3.2.9. Dezaeratoare 99
3.2.10. Filtre 102
3.2.11. Clapete de sens 103
3.2.12. Dispozitive de umplere/golire/curatare 105
3.2.13. Conducte si fitinguri 106
3.3. Proiectarea sistemelor solar termice 114
3.3.1. Conceperea schemei functionale a sistemului solar termic 114
3.3.2. Alegerea tipului si numarului de colectoare solar termice 124
3.3.3. Dimensionarea boilerului de stocare a energiei termice 134
3.3.4. Dimensionarea circuitului solar 135
3.3.5. Alegerea pompei hidraulice 138
3.3.6. Dimensionarea elementelor de siguranta 147
3.3.7. Controlerul sistemului solar termic 155
3.4. Instalarea sistemelor solar termice 156
3.5. Exploatarea sistemelor solar termice 178
3.6. Mentenanta sistemelor solar termice 179
3.7. Fezabilitatea sistemelor solar termice 180
3.7.1. Termenul de recuperare a investitiei 184
3.7.2. Termenul actualizat de recuperare a investitiei 185
3.7.3. Valoarea actuala neta a investitiei 185
3.8. Costul energiei termice produse de un sistem solar termic 186

Notatii 187

Acronime 193

Bibliografie 195

DESPRE AUTOR

Macedon Dumitru MOLDOVAN a obtinut in 2012 titlul de Doctor in Inginerie Mecanica in domeniul sistemelor de orientare pentru sisteme de conversie a energiei solare dupa care a urmat un stagiu de studii postdoctorale in domeniul mixurilor de energii regenerabile implementate in mediul construit eficient energetic.

Din 2019 este coordonatorul programului de studii de licenta Ingineria Sistemelor de Energii Regenerabile in cadrul Facultatii de Design de Produs si Mediu a Universitatii Transilvania din Brasov, unde sustine cursuri si aplicatii la disciplinele: Sisteme Solar Termice, Sisteme Geotermice cu Pompe de Caldura si Implementarea Sistemelor de Energii Regenerabile in Mediul Construit.

Este membru asociat al Academiei de Stiinte Tehnice din Romania, Sectia Inginerie Mecanica, membru al Asociatiei Romane de Stiinta Mecanismelor si Masinilor si al Asociatiei Inginerilor de Instalatii din Romania. Este vicepresedinte al Comitetului Tehnic pentru Sisteme Energetice Sustenabile al Federatiei Internationale pentru Promovarea Stiintei Mecanismelor si Masinilor si este membru al Societatii Internationale de Energie Solara.

Desfasoara activitate de cercetare in cadrul Centrului de Cercetare Sisteme de Energii Regenerabile si Reciclare al Universitatii Transilvania din Brasov unde a coordonat 3 proiecte de cercetare nationale pe tema colectoarelor si sistemelor solare termice si a fost responsabil pentru proiectarea, dezvoltarea si testarea sistemelor de energie regenerabila si a componentelor acestora in 11 proiecte de cercetare nationale si internationale. A publicat 57 de articole stiintifice, 8 carti si 12 capitole de carte. Este coautor a 14 brevete si propuneri de brevete si a participat la 82 de conferinte nationale si internationale. A fost premiat de Academia Romana cu Premiul „Constantin Budeanu 2017” si de Academia de Stiinte Tehnice din Romania cu Premiul „Remus Radulet 2021”.