1. Standardul Clădirilor Pasive
Termenul de ”casă pasivă” (passivhaus) face referire la un standard de clădire
caracterizat printr-o eficiență energetică marită, dezvoltat și implementat de Institutul Caselor
Pasive (ICP) din Darmstadt, Germania. Este un standard specific pentru clădiri prin care s-a
reușit obținerea unui confort termic interior optim indiferent de sezon sau climă, raportat la un
consum minim. Definiția stipulată de către ICP, preluată din lucrările lui Adamson (1987) și
Freist (1988) o descrie ca: ”[...] o clădire în care poate fi menținut un climat interior confortabil
fără sisteme active de încălzire și răcire” [1].
Conceptul de clădire pasivă a fost inițializat de doi cercetători, Wolfgand Feist
(Germania) și Bo Adamson (Suedia), care în anul 1990 au finalizat construcția primei case
pasive la Darmstadt, Germania. Prin izolarea suplimentară și etanșarea sporită a anvelopei
(grosimea izolației a variat de la 275 mm pentru pereții laterali la 450 mm pentru tavan),
minimizarea punților termice, utilizarea unui sistem de ventilație mecanică, cuplat cu un
recuperator de căldura eficient și un sistem de preîncălzire a aerului proaspăt din resursa
termică regenerabilă a solului, conceptul reușit să reducă necesarul de energie pentru încălzire
cu până la 90% față de o clădire construită conform normativelor din acea vreme (Figura 1).
Figura 1. Comparatie intre 6 concepte diferte de case cu consum redus de energie, raportate la
Normativul German din anul 1984 [5]
Pentru a reduce consumul total de energie utilizat în clădire, Adamson și Freist au
utilizat colectori solari cu tuburi vidate pentru apa caldă menajeră, ce asigura aproximativ 66%
din necesar, restul fiind asigurat de un sistem termic ce utiliza gazul natural [2]. Rezultatele
cercetării au dus la apariția standardului caselor pasive (Passivhaus Standard), elaborat de
Freist în 1995, care, un an mai târziu a înființat ICP (Passivhaus Institute) pentru a promova
conceptul. În prezent ICP asigură certificarea clădirilor construite conform standardului.
Testele ulterioare prezentate de IEEA [3] indică faptul că într-o casă pasivă se poate
menține cu ajutorul sistemelor convenționale de încălzire și ventilație o temperatură operativă
de 25 oC vara și de 20 oC iarna în peste 96 % din timp. Structura conceptuală a clădirii pasive
permite, fără existența sistemului de încălzire/răcire, obținerea unei temperaturi de peste 18 oC
(pe timp de iarnă) în peste 68% din timp și de sub 25 oC (pe timp de vară) în peste 71% din
timpul de utilizare, în cazul anumitor clădiri pasive studiate [3].
O clădire pasivă este caracterizată de o combinație între unu tip special de arhitectură,
formă compactă, o izolație foarte bună a anvelopei (minimizând la maximum punțile termice
apărute la îmbinări), o etanșeitate ridicată, utilizarea optimă a câștigurilor interne și externe de
căldură și un sistem mecanic de ventilație, combinat cu un sistem eficient de recuperare a
căldurii (mechanical ventilation an heat recovery unit - MVHR) [4, 5].
Spre deosebire de o clădire standard,
o clădire construită conform cerințelor
Institutului din Darmstadt reușește să
minimizeze la maximum pierderile de
căldură prin anvelopa clădirii, rezultând o
minimizare a necesarului termic introdus
pentru a menține confortul interior dorit
(Figura 2) .
Standardizarea clădirilor pasive ține
cont de consumul energetic pentru încălzire
și răcire (sub 15 kWh/m2/an), consumul total
specific de energie primară (sub 120
kWh/m2/an – indiferent de sursa de energie),
sarcina termică maximă (sub 10 W/m2) dar și
de confortul termic interior (teperatura
interioară nu va coborî sub 20 oC pe timp de
iară și nu va depăși 25 oC pe perioada verii în
mai mult de 10% din timp).
Figura 2. Comparație între pierderile/câștigurile
pentru o casă standard și o casă pasivă
În vederea obținerii acestor performante energetice crescute, o casă trebuie să respecte
următoarele exigențe:
schimbul de aer prin neetanșeități, măsurat la o presiune de 50 Pa (conform
normativului EN 13829) scăzut (n50 < 0,6 h-1),
coeficienți de schimb de căldură interior-exterior foarte scăzuți (sub 0,15 W/m2/K –
elementele opace și sub 0,8 W/m2/K – pentru elementele vitrate) ,
coeficieți de aborție a radiației solare prin ferestre ridicați (g ≈ 0,5)
preîncălzirea/prerăcirea aerului proaspăt
recuperarea eficientă a căldurii aerului evacuat cu ajutorul unui schimbător de căldura
cu randament ridicat (η > 80%),
existența sistemelor de producere a apei calde menajere din surse regenerabile
aparatură electrocasnică de clasă energetiă A+. [6, 7, 8].
Îmbinarea standardului caselor pasive cu un sistemul de încălzire și răcire (HVAC
system) bazat pe surse regenerabile a generat o scădere a necesarului de energie pentru
încălzirea și răcirea spațiului cu până la 80 % față de o clădire convențională, și cu până la 75
% față de o clădire nouă [6, 8]. Costul total al construcției nu depășește cu mai mult de 16%
costul aferent unei clădiri standard, cu o perioadă de amortizare a investiției de maximum 18
ani, în ipoteza în care costul aferent energiei va înregistra o creștere anuală de 10 % [9].
Beneficiile pe care o astfel de construcție le aduce utilizatorior sunt atât de natură
financiară cât și de confort termic. Astfel, pe lângă reducerea costurilor de exploatare, efectele
benefice resimțite de locatari pot fi cuantificate prin existența unui aer tratat, având concentrații
de CO2 și umiditate relativă în limitele acceptate (< 1%, respectiv < 60%), dispariția
mucegaiului de pe pereți și senzația de confort termic resimțit (nu apare senzația de ”picioare
reci” – cold feet).
2. Descrierea casei pasive POLITEHNICA
În anul 2011, ca urmare a unui proiect de cercetare1, a fost finalizat unu duplex de case
construite conform standardelor ICP, localizat în campusul Universității POLITEHNICA din
București, pe o suprafață putin umbrită. Duplexul este format din două clădiri indentice din
punct de vedere arhitectural, fiecare cu o suprafață utilă totală de 140 m2, echipate cu sisteme
HVAC diferite. Casa Est, denumită și Casa Test (Laborator) este echipată cu un schimbător de
căldură sol – aer (puț canadian) - sistem descris pe larg în capitolul 2.1, în timp ce pentru Casa
Vest a fost aleasă soluția cu pompă de căldură geormală. Caracteristicile constructive sunt
detaliate în tabelul următor:
Tabel 1. Caracteristicile de proiectare ale casei studiate
Arie
construită
Arie încălzită
utilă
Volum de
aer
Aria anvelopei
interior
Aria suprafeței
vitrate
Număr
ocupanți
94 m2 140 m2 435,3 m3 406,6 m2 32,02 m2 4 persoane
Orientarea casei pasive este N-S, cu raportul Svitrat/Stotal următor:
- Fațada sudică: 0,29
- Fațada vestică/estică: 0,13
- Fațada nordică: 0,07 [10]
Anvelopa clădirii conține o fațadă ventilată, cu rol izolator suplimentar, asigurând astfel
circulația naturală a aerului prin orificii de 50 mm și evitându-se acumularea umidității în
izolația termică. Materialele ce compun anvelopa clădirii (atât elementele opace cât și cele
vitrate) prezintă proprietăți termo-fizice superioare, și sunt prezentate în tabelul 2. Pereții
exteriori au o grosime totală a izolației de 300 mm, prezentând un coeficient global de schimb
de căldură calculat la 0.122 W/m2/K. Acoperișul a fost izolat cu un strat de vată minerală de
400 mm, având coeficientul U de doar 0.107 W/m2/K, iar padoseala are o grosime de 150 mm
pe podea (primul strat) și un coeficient global de schimb de căldură total de 0.114 W/m2/K.
Acoperișul conține în interior un strat de aer, având rol de barieră radiativă, reducând
semnificativ transmiterea radiației solare câtre interior, evitându-se în acest mod supra-
încălzirea casei în anotimpul cald.
Suprafețele vitrate sunt compuse din geamuri în strat triplu, (spațiile interioare sunt
umplute cu Argon 90%) având coeficienți globali de schimb de căldură totali de 0,6 W/m2/K
și coeficienți totali de absorbție solară de aproximatix 0,5. Geamurile ”double low-E„ conțin
ambele suprafețe tratate în vederea menținerii confortului termic pe tot parcursul anului.
Suprafața exterioară a geamului împiedică radiația termică solară cu lungime de undă mare să
străbată vitrajul, reflectând-o, reducând în acest mod câștigul de căldură în surplus. Pe timp de
iarnă, suprafața interioară minimizează transferul de căldură dinspre interior. Coeficientul
global de schimb de căldură al ramelor este sub vloarea limită impusă de către ICP pentru zona
climatică în care se află construcția (< 0,8 W/m2/K).
1 Proiectul de inovare intitulat ”Case pasive adecvate condițiilor climatice din România” (contract 214/2008 UEFISCDI), având ca parteneri: Institutul de Studii și Proiectări Energetice (ISPE), Universitatea POLITEHNICA din București (UPB), Univeristatea de Arhitectură și Urbanism ”Ion Mincu” (UAIM), Univeristatea Tehnică de Construcții București (UTCB), Academia Oamenilor de Știință din România (AOSR), și un partener din mediul privat (AGECOM)
Tabel 2. Proprietățile termo-fizice ale anvelopei [11] Componentă
anvelopă
Element Suprafață
[m2]
Grosime
[mm] λ
[W/m/K]
Pereți
Aco
per
iș Tencuială
182.52
22 0.8
Beton armat 130 1.74
Vată mineral 400 0.04
Coeficient U = 0.107 [W/m2/K]
Ex
terio
r Tencuială
182.52
22 0.8
Zidărie Ytong 250 0.27
Vată minerală 300 0.04
Coeficient U = 0.122 [W/m2/K] P
ard
ose
ală
Parchet
94.40
22 0.2
Placă OSB 8 0.13
Mortar 50 1.1
Placă
termoizolatoare ESP
150 0.04
Beton armat 120 1.74
Polistiren extrudat 180 0.04
Mortat 50 1.1
Coeficient U = 0.114 [W/m2/K]
Perete
com
un
Tencuială
86.72
22 0.8
Zid cărămidă 250 0.8
Tencuială 22 0.8
Fere
stre
Componentă Suprafață
[m2]
Coeficient
g
Coeficient
U [W/m2/K]
Geam low-E strat
triplu Saint Gobain 29.17 0.5 0.6
Rame Rehau - 0.78
Ușă Ușă Rehau 2.19 - 0.8
Casele pasive au o arhitectură identică, fiecare amplasament fiind compus din 2 etaje
(parter + etaj). La parter se află camera de zi cuplată cu o bucătărie deschisă, o baie și o cameră
tehnică echipată cu infrastructura pentru achiziția datelor colectate de la senzori, boiler
acumulator de apă caldă menajeră de 200 litri, și recuperatorul de căldură. Etajul este alcătuit
din 2 dormitoare, având dimensiuni diferite (12,6 m2 dormitorul Nord-Est și 17,6 m2 dormitorul
Sud-Est), o cameră amenajată pe post de birou (cu suprafața totală trată 12,43 m2), un depozit
și 2 băi. Planșeele ce separă cele 2 etajle au în componență un strat de 50 mm de izolație fonică
pentru a asigura confortul auditiv.
Fiecare casă este prevăzută cu un sistem mecanic de ventilație, cu ajutorul căruia aerul
proaspăt este introdus în camerele unde se desfășoară activitatea (living room, cameră tahnică
și dormitoare), în timp ce aerul viciat este extras din celelalte camerele (bucătărie și băi).
Egalizarea presiunii se face cu ajutorul unor guri de transfer cu reglaj situate la partea inferioară
a ușilor ce permite o circulație naturală a aerului între camere. Deoarece sufrageria are cea mai
mare suprafață (70 m2), această cameră este prevăzută cu 2 guri de admisie a aerului, plasate
în partea nodică și sudică.
Beneficiile unui astfel de sistem de ventilație sunt expuse de Feist [12], care subliniază
următoarele caracteristici:
- Nu se poate obține o eficiență crescută daca geamurile se deschid aleatoriu
pentru aerisirea camerei, pierderile de căldură către exterior crescând foarte mult;
- Aerul exterior prezintă o calitate inferioară comparativ cu aerul tratat prin
filtrele sistemului;
- Etanșeitatea crescută crește riscul ”sufocării” clădirii, rata de schimburi de aer
prin deschiderea ferestrelor fiind insuficientă pentru o ventilare totală a casei;
- Se poate utiliza în aceste condiții soluția de încălzire cu recuperare de căldură.
Aerul tratat este circulat în interiorul casei cu ajutorul ventilatoarelor din interiorul
recuperatorului de căldură, fiecare ventilator având 3 trepte de viteză, vehiculând un debit de
aer cuprins între 60 și 200 m3/h. Aerul circulă printr-un sistem ramificat de țevi din inox,
amplasate în interiorul pereților, ce fac legătura între camera tehnică si fiecare cameră în parte
și difuzia aerului în camere are loc prin guri speciale pentru ventilație mecanică. Diametrul
interior al țevilor este de 200 mm și sunt izolate cu vată minerală la exterior pentru a minimiza
pierderile de căldură pe traseu.
Distribuția camerelor pe cele 2 etaje și a senzorilor wireless în camere este prezentată
in figura 3.
Figura 3. Planul casei pasive UPB și poziționarea senzorilor wireless
2.1. Sistemul HVAC din casa Laborator
Sistemul utilizat în pentru climatizarea aerului în casa Laborator este compus din 2
schimbătoare de căldura: un schimbător de căldură sol-aer și un schimbător de căldură aer-aer
cumplat la sistemul de ventilație mecanică al clădirii. Pentru perioadele de vârf, când sistemul
de încălzire nu poate asigura temperatura de confort, sufrageria și cele două băi de la etaj sunt
echipate cu panouri termice radiative, cu o putere maximă de 3 kW fiecare.
2.1.1. Schimbătorul de căldură sol-aer (puț canadian)
Clima din România este caracterizată de variații mari a temperaturii exterioare pe
parcursul unui an, dar este cunoscut faptul că temperatura în interiorul pământului, chiar și la
adâncimi mici, este pozitivă, indiferent de anotimp. Această caracteristică termică a solului este
utilizată la maximum prin montarea unui sistem de țevi la adâncimi relativ mici (2-4 m), ce au
rolul de a precondiționa aerul înainte de a fi utilizat în clădire. Avantajele unui astfel de sistem
sunt cuantificate prin reducerea sarcinii de vârf a necesarului energetic pentru încălzire și
răcire, evitatarea pericolul de îngheț, pe timp de iarnă, a echipamentelor din amonte și o
pretratare a aerului cu ajutorul filtrelor și a inserațiilor cu ioni de argint din interiorul țevilor.
Pentru a avea loc un transfer termic eficient, lungimea, numărul tuburilor și viteza de
curgere a aerului atmosferic trebuie stabilite din faza de proiectare, în funcție de suprafața
tratată a clădirii și condițiile atmosferice.
Conceptual, acest schimbător de căldură, denumit în literatura de specialitate și „puits
canadien„ (puț canadian), este format dintr-un turn de admisie a aerului, un colector geotermal
și un sistem de drenare a condensului apărut în interior. Turnul de admisie este echipat cu un
filtri și un ventilator de mică putere, cu rolul de a aspira aerul de admisi și de a-l circula prin
pământ. Este recomandată poziționarea turnului de admisie într-o zonă ferită de diverși poluanți
atmosferici (noxe provenite de la gazele de eșapament) și cu puțină vegetație pentru a scadea
riscul de înfundare. Colectorul geotermal este cea mai importantă componentă a puțului
canadian, el realizând transferul termic între sol și aer. Există mai multe variante constructive
pentru colectorii geotermali, printre acestea putând fi menționate cele cu colectori rigizi
(utilizând betonul ca si material constituent) și cele cu colectori flexibili (de exemplu colectori
geotermali din polipropilenă). Sistemul de drenaj a condensului este important pentru a asigura
calitatea superioară a aerului tratat. Formarea condensului în interiorul țevilor conduce la
apariția bacteriilor și a fungilor, contaminând aerul circulat.
Varianta aleasă pentru casa studiată conține un colector geotermal plasat la 2,5 m
adâncime, ce preia aerul din zona fațadei nord și are un traseu în formă de ”U” pe partea estică
a casei, zonă puternic influențată de condițiile meteorologiec. Țeava colectorului este din
polipropilenă de înaltă densitate, având un coeficient global de schimb de căldură de 0,28
W/m2/K, un diametru interior de 200 de mm (grosimea țevii de 7,8 mm), și o lungime totală de
38 m (valori oținute în baza unei evaluări tehnico-economică [13]). Pentru purificarea aerului,
interiorul țevii are inserții de ioni de argint și este construit având o pantă de 15o în vederea
scurgerii condensului, care apoi este pompată către un turn de condens, situat pe partea nordică
a casei (figura 4).
Figura 4. Configurația schimbătorului de căldură sol-aer [14]
Simulările [14, 15] au indicat faptul că utilizarea acestui schimbător de căldură în
vederea preîncălzirii aerului proaspăt, au redus sarcina termică cu 17% și necesarul termic de
vârf cu mai mult de 20%.
2.1.2. Schimbătorul de căldură aer-aer (recuperator de căldură)
Pentru a scădea necesarul de energie pentru încălzire, puțul canadian este cuplat la
sistemul de ventilație al casei, în componența căruia se află cel de-al doilea schimbător de
căldură. Acest recuperator de căldură este utilizat pentru a transfera o cantitate importantă de
căldură de la aerul evacuat către aerul proaspăt și are o eficiență maximă de 91%. Pentru a
asigura o circulație continuă a aerului în interiorul clădirii, recuperatorul este echipat cu câte
un ventilator pentru fiecare flux de aer, fiecare cu trei trepte de putere, putând fi vehiculat un
debit de aer cuprins între 60 și 200 m3/h. În interiorul recuperatorului de căldură, aerul curge
în contra curent, fără a se amesteca. Traseul aerului proaspat este prevăzut cu un cu un filtru
pentru o purificare suplimentară a aerului.
Pe perioada de vară, aerul are o temperatuă optimă la ieșirea din puțul canadian (valori
cuprinse în general între 20 – 22 °C), fiind nejustificat transferul termic din interiorul
recuperatorului. Pentru a putea diminua efectul supraîncălzirii casei pe timpul verii, a fost
montat în cadrul recuperatorului, un bypass acționat de 2 clapete cu electromotor. Astfel, aerulu
viciat este evacuat direct, fără ca acesta să mai fie introdus în recuperator, obținându-se astfel
o temperatură în limitele acceptate o perioadă cât mai lungă.
Pentru perioadele când temperatura exterioară este foarte scăzută și sistemul prezentat
nu poate oferi condițiile de confort termic optime (minim 20 oC), a fost montată o rezistență
electrică pe țeava de ieșire a aerului din recuperator. Rezistența electrică are o putere nominală
de 2,4 kW și poate fi reglată în funcție de un termostat propriu, sau poate funcționa sub acțiunea
unui senzor de temperatură amplasat pe gura de admisie a aerului în sufraferie.
Figura 5. Sistemul HVAC și poziționarea senzorilor cu fir
În figura 5 este reprezentată o schemă a întregului sistem HVAC al casei pasive
analizate, realizată in Google SketchUP cu ajutorul add-in-ului 3Skang. Aerul proaspăt
(reprezentat cu culoare albastră) este aspirat din mediu exterior, curge prin puțul canadian, apoi
intră în recuperator unde are loc al doilea trasnfer termic. Aerul viciat (reprezentat cu roșu) este
colectat, circulat prin recuperator, apoi evacuat în atmosferă.
2.2. Sistemele de producere apă caldă menajeră și energie electrică
Casa este echipată cu un sistem termic cu panouri solare ”Rehau Solect WK 1S” de
încălzire a apei calde menajere dimensionat pentru 4 persoane, compus din următoarele
echipamente:
- Colector vană a 2,55 m2
- Capac și dop de închidere ¾"
- Set de aerisire
- Grup de pompare 6-20 cu set de racordare pentru vasul de expansiune
- Vas de expansiune de 18 l
- Regulator solar SC100
- Boiler acumulator apă caldă monovalent de 200 l
- Canistră agent termic de 25 l
- Set conducte racordare colectori
- Rezistență electrică de încălzire
O parte din energie electrică utilizată pentru operarea locuinței este produsă cu ajutorul
panourilor fotovoltaice amplasate pe acoperis la o înclinație fixă de 15o. Sunt 13 panouri
fotovoltaice cu o putere nominală de 2,9 kW, acoperind o suprafață totală de 22 m2. Pentru casa
studiată s-a optat conexiunea la rețeaua electrică interna din Universitatea POLITEHNICA
București, eliminându-se astfel necesitatea implementării sistemelor de înmagazinare a
energiei produse. La panoul centrat sunt montate 2 contoare electrice ce măsoară ambele
fluxuri energetice (energia injectată în rețea în perioadele de supra-producție și energia
consumată din rețea în momente de producție insuficientă sau zero), putându-se realiza un
bilanț energetic global.
Invertorul ce realizează conversia curentului continuu produs în curent alternativ
utilizat în casă este situat în camera tehnică și oferă date în timp real privind puterea și energia
produsă, tensiunea, intensitatea curentului și temperatura de funcționare. Datele tehnice ale
panourilor și inverterului sunt prezentate în tabelul 3.
Tabel 3. Datele tehnice ale panourilor fotovoltaice și a inverterului
Parametru (Panouri fotovoltaice) Parametru (Invertor)
Model SCHOT POLY 225 Model POWER ONE Aurora
Putere nominală 2.9 kW Putere nominală 3.0 kW
Număr de panouri 13 Tensiune de operare 120-580 V
Suprafața activă totală 22 m2 Număr 1
Orientarea Sud Frecvență de operare 50/60 Hz
Unghi de înclinație 15º - -
Eficiență 13.4% - -
2.3. Sistemul de monitorizare al casei
Casa pasivă este echipată cu un sistem de achiziție de date compus din senzori – atât cu
fir cât și wireless (măsurând următorii parametrii: temperatura exterioară și interioară în diferite
puncte de interes, debitul de aer al sistemului HVAC, concentrația de CO2 interioară,
luminozitate, umiditate, radiația solară și energia consumată), un data logger și un sistem de
stocare format dintr-un server și o bază de date.
2.3.1. Senzori
Pentru a fi observată eficiența sistemului de încălzire și răcire al casei, o serie de senzori
cu fir au fost montați de-a lungul puțului canadian și a recuperatorului de căldură (figura 5)
pentru a fi monitorizată variația temperaturii. Senzorul T1 a fost montat pe fațada nordică a
casei întru-un loc protejat de acțiunea directă a radiației solare și oferă informații despre
temperatura exterioară. Temperatura solului este monitorizată cu ajutorului senzorului numit
în continuare Tground, iar eficiența puțului canadian este dată de senzorul T2 ce măsoară
temperatura în zona dintre puțul canadian și recuperatorul de căldură. Traseul aerului proaspăt
este monitorizat în continuare cu ajutorul senzorilor T3 (oferă date despre temperatura aerului
la ieșirea din recuperatorul de căldură), T4 (temperatura aerului după rezistența electrică) și T5
(temperatura aerului la ieșirea din sistemul HVAC). Temperatura în camera de zi (partea
nordică) este monitorizată cu ajutorul senzorului T8. Pe partea de aer viciat sunt montați doi
senzori (T6 și T7) la intrarea și ieșirea aerului din recuperator, pentru a putea realiza bilanțul
termic pe recuperator.
Un număr de 5 senzori ce comunică wireless au fost montați în diferite camere (figura
3) pentru a putea monitoriza confortul termic. Acești senzori oferă date despre variațiile
temperaturii, intensității luminoase și umidității și au caracteristicile tehnice prezentate în
tabelul 4. Senzorii utilizați au Tabel 4. Caracteristicile tehnice ale senzorilor wireless
Mărime Uniditate relativă Luminozitate Temperatură
Caracteristici Interval de măsură: 0-100%
Eroare de măsură: ± 2%
Interval de măsură:
0-1000 lux
Interval masura: -40 - +100˚C
Eroare de măsură: ±0.5˚C
Senzorii au încorporată o antenă externă ce permite transmiterea datelor pe distanțe
ridicate (10 – 500 m) și o baterie internă (tensiune nominală de 3 V și o capacitate de 950 mAh)
ce permite o funcționare neîntreruptă timp de 1 sau 2 ani. Informații despre nivelul de încărcare
al bateriei sunt transmise, împreună cu datele colectate către baza de date. Platforma senzorială
a senzorilor este alcătuită din cinci blocuri funcționale distincte, interconectate pe placa de
bază: un microcontroler, un transceiver radio, bloc senzorial și de măsură al consumului de
energie, sursa de alimentare cu energie electrică, interfața de programare și depanare.
Senzorii wireless transmit datele către un receptor amplasat în camera de zi, care
comunică la rândul său cu serverul prin intermediul unui cablu USB 2.0. Datele înregistrate
sunt înmagazinate în baza de date.
Pentru a putea realiza o analiză completă asupra producției energetice a panourilor
fotovoltaice, pe acoperiș este instalat un piranometru ce măsoară intensitatea radiației solare și
comunică prin cablu serial cu datalogger-ul. Piranometrul Kipp&Zonen are o temperatură de
funcționare cuprinsă între -40 și 80 ˚C, o formă sferică ce permite un câmp de vizualizare de 180 ˚,
ecran protector pentru a minimiza efectul intemperiilor și poate măsura valori cuprinse între 0 și 4000
W/m2.
Pentru a putea realiza bilanțul energetic al casei pasive, au fost montate wattmetre
pentru monitorizarea fiecărui consumator important. Wattmetrele sunt coectate la panoul de
singuranțe din casă, si comunică cu data logger-ul prin intermediul unui cablu serial RS 485.
În total sunt 7 contori de energie, conectați la următoarele grupuri de consumatori:
- E1 – lumini;
- E2 – sufragerie (inclusiv panoul radiant)
- E3 – electrocasnicele din bucătărie
- E4 – sistemul de monitorizare
- E5 – rezistența electrică
- E6 – sistemul de ventilație și recuperatorul (ventilatoare)
- E7 – baie Nord-Vest (panou radiant)
2.3.2. Data logger și baza de date
Data loggerul (Kethley 2750) este echipamentul de legătură între senzori și server (pe
care este instalată baza de date). El înregistrează datele recepționate de la senzori, având setat
un pas de timp de 10 minute, și le transmite prin conexiune serială către server, unde sunt
stocate în baza de date.
3. Analiza datelor colectate pe perioada de încălzire
Datele analizate au fost colectate cu ajutorul sistemului prezentat anterior, și perioada
analizată este 1.11.2013 – 30.4.2014. Casa pasivă a fost analizată din punct de vedere al
confortului termic și al bilanțului energetic. În primul rând, pentru o analiză completă a fost
analizată clima României. Aceasta este caracterizată de ierni friguroase, cu temperaturi multi-
anuale variind între 3 °C (zone joase) și -15 °C (zone de munte). Un an calendaristic în
București este caracterizat de o amplitudine termică de aproximativ 25 °C (-2,5 °C în Ianuarie
și 22 °C în Iulie [16]. Temperatura exterioară a fost monitorizată pe întreaga perioadă cu
ajutorul senzorului cu fir T1, rezultatele fiind prezentate în figura 6.
Pentru a o reprezentare sugestivă a datelor, graficele conțin valori medii pe 24 de ore,
atât pentru temperaturi cât și pentru bilanțul energetic.
Figura 6. Variația temperaturii exterioare în zona casei pasive (date de la senzorul T1)
În figura anterioară se poate observa variația temperaturii exterioare pe întreaga
perioadă monitorizata. Cea mai scăzută temperatură a fost înregistrată pe data de 31 Ianuarie,
având valoarea medie pe 24 de ore de -12 °C.
3.1. Confortul interior
Considerând această zi ca fiind de interes pentru realizarea confortului termic în casa
pasivă, graficul prezentat în figura 7 conține variația temperaturilor din toate camerele
monitorizare. Se poate observa că cea mai scăzută temperatură se regăsește în baia-sud, unde
nu este introdus aer proaspăt încălzit. Pe timpul nopții temperatura ajunge chiar și la valori sub
18 °C, iar media maximă este înregistrată la ora 14:00 (18,8 °C). Creșterea aceasta de
temperatură este datorată introducerii aerului proaspăt încălzit în dormitorul-sud, transferul
termic facilitând căldura să pătrundă în baie. Cele mai mari temperaturi au fost înregistrare în
birou și dormitorul-nord, unde în aceeași zi, temperatura interioară a avut o medie de peste 22
°C.
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
11/1/13 12/1/13 1/1/14 2/1/14 3/1/14 4/1/14
TEM
PER
ATU
RA
[°C
]
PERIODA [ZILE]
Figura 7. Variația temperaturii în camerele monitorizare pentru data de 31 Ianuarie 2013
Pentru a menține confortul interior prezentat anterior, pe 31 Ianuarie sistemul de
încălzire a consumar un total de 28,43 kWh (până la 93% rezistența electrică și 7%
ventilatoarele), rezultând un consum specific raportat la suprafață de 0,2 kWh/m2, reprezentând
aproximatic 1,3 % din totalul energiei consumate pe tot anul pentru încălzire.
Influența suprafeței vitrate mari pe suprafațada sudică este cuantificată în diferența de
temperatură înregistrată între cei doi senzori din sufragerie (senzorul wireless W1 – măsoară
partea sudică a camerei și senzorul cu fir T1 – măsoară temperatura dinstre fațada nordică a
casei). Diferența medie de temperatură pe 24 de ore măsurată a fost de 1,47 °C, înregistrând un
maxim de 1,85 de grade în jurul orei 11:00, datorită radiației solare mai puternice (cer senin)
și a geamurilor cu un coeficient al absorbției solare mare (coeficient g = 0,5), care au dus la o
creștere de temperatură sesizabilă în partea sudică a camerei.
Figura 8. Diferența de temperatură măsurată în living între cei doi senzori (31.12.2014)
1.20
1.30
1.40
1.50
1.60
1.70
1.80
1.90
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
TEM
PER
ATU
RA
[°C
]
PERIOADĂ [ORE]
În contiuare este prezentat un studiu făcut asupra eficienței sistmeului de încălzire și
ventilație (puțul canadiat și recuperatorul de căldură). Pentru o analiză detaliată, pentru data de
31 Ianuarie 2013, variațiile de temperatură pe traseul aerului au fost redate cu un pas de
discretizare de o oră. În Figura 9 se poate observa câștigul de căldură de provenit de la sol, cât
și din recuperatorul de căldură. Astfel, chiar și în condiții extreme (temperatura exterioară de -
16,3 °C), temperatura de intrare în sistemul de ventilație mecanică cu recuperare de căldură se
stabilizeaza, înregistrând valori între 6,1 și 6,6 °C. Acest lucru este datorat faptului că
temperatura solului, înregistrată la 2,5 m adâncime a avut valori relativ constante (variind între
7,1 și 7,3 °C, indiferent de temperatura exterioară). La ieșirea din recuperator, aerul proaspăt
are o variație termică cuprinsă între 18,27 °C și 21,24 °C. Traseul aerului viciat este caracterizat
de o scădere termică de la maxim 20,6 °C (la intrarea în recuperator) la minim 13 °C (la ieșirea
din recuperator). Eficiența recupetorului a înregistrat valori cuprinse între 89 și 91%.
Figura 9. Variația temperaturii pe întregul sistem HVAC
Concentrația de dioxid de carbos este monitorizată în sufragerie. Conform îndrumarelor
de specialitate, concentrația interioară de CO2 în medii neindustriale (case, clădiri de birouri,
școli), trebuie sa fie menținută în intervalul 400-1500 ppm [17]. Concentrația de CO2 din casa
pasivă înregistrează valori scăzute pe timpul nopții, dar crește în timpul zilei când este ocupată.
În condiții normale de fincționare (patru locuitori), concentrația nu a depășit valoadea de 750
ppm (Figura 10).
Figura 10. Variația concentrației de CO2 pe parcursul a 7 zile obișnuite
Pentru o mai analiză mai amănunțită asupra eficienței de recirculare a aerului, următorul
experiment a fost demara în casa pasivă analizată: puterea ventilatoarelor recuperatorului a fost
setată la 24 W, însemnând vehicularea ununi debit de 85 m3/h are (treapta a doua de
funcționare) și pe durata a două ore (de la 12:00 la 14:00) a fost ținut un seminar cu un grup de
21 de studenți. După cum se obsevă în figura 11, concentrația de CO2 a fost înregistrat o
creștere bruscă, până la valoarea de 1950 ppm, la ora 14:00, urmând ca să revină la valorile
inițiale după aproximativ 6 ore de ventilație, indicând o eficiență crescută a sistemului.
Figura 11. Variația concentrației de CO2 pe durata experimentului
3.2. Consumul de energie
Consumul de energie a fost achiziționat cu un pas de timp de 24 de ore. Simulările
realizate pe casa pasivă [18, 19, 20] au indicat un necesar energetic pentru a menține confortul
termic interior pe perioada iernii de 14,48 kWh/m2/an, în ipoteaza utilizării unui sistem ideal
de încălzire. Măsurătorile efectuate au indicat că, pe întreaga durată a utilizării încălzirii,
consumul energetic necesar menținerii unei temperaturi interioare cu o valoarea peste 20 °C a
fost de 14,88 kWh/m2/an. Consumul zilnic de energie pentur încălzire este detaliat în figurile
500
550
600
650
700
750
800C
on
centr
ația
de
CO
2(p
pm
)
Timp [zile]
500
1000
1500
2000
Conce
ntr
ația
de
CO
2(p
pm
)
Timp [ore]
următoare (Figura 12 - Figura 17). Cu linie continuă roșie a fost reprezentată variația
temperaturii interioare, cu linie albastră variația temperaturii exterioare și cu bare transparente
consumul de energie aferent menținerii temperaturii interioare la valoarea doriă. La începutul
perioadei monitorizate, temperatura de confort a fost atinsă fără utilizarea sistemului de
încălzire, datorită interției termice crescute a anvelopei clădirii. De la 1.11 până pe 10.11,
consumul de energie a fost datorat exclusiv ventilatoarelor utilizate recirculării aerului în
interior, rezisteța electrică fiind oprită. Consumul total de energie pentu această perioadă a fost
de 227 kWh (1,65 kWh/m2/an).
Figura 12. Consum energetic Noiembrie
Figura 13. Consum energetic Decembrie
Figura 14. Consum energetic Ianuarie
Figura 15. Consum energetic Februarie
Figura 16. Consum energetic Martie
Figura 17. Consum energetic Aprilie
În Decembrie, energia totală consumată pentru încălzire a fost de 536 kWh (3,82
kWh/m2) și consumul maxim a fost înregistrat în Ianuarie, cu un total de 541,81 kWh (3,87
kWh/m2). În Februarie, datorită faptului că au fost doar 28 de zile, consumul de energie total a
fost de 435 kWh, respectiv 3,1 kWh/m2. În Martie și Aprilie, consumul energetic a fost relativ
scăzut datorită temperaturilor exterioare ridicate pentru aceaeastă perioadă (1,97 kWh/m2 și
0,47 kWh/m2 respectiv).
Numărul de ore în care rezistența electrică a funcționat a fost minimizat datorită
sistemului de automatizare. Astfel, numărul total de ore de funcționare a fost de 783 de ore,
însemnând 18 % din perioada totală monitorizată. După cum se observă în Figura 18, pe 31
Ianuarie s-a înregistrat cel mai mare număr de ore de funcționare (12 ore în total), iar media de
funcționare a fost de doar 4,3 ore/zi pe întreaga durată de monitorizare.
Figura 18. Numărul de ore de funcționare a rezistenței electrice
Consumul total de energie în clădire este compus din energie consumată pentru
încălzire și ventilație, electrocasnice, sistem de monitorizare și iluminat. În perioada
monitorizată (1.11.2013 – 31.04.2014), consumul total de energie a fost de 5396 kWh (38,5
kWh/m2). Din aceasta, 11% a fost consumată de sistemul de achiziție al datelor, 41 % a fost
utilizată în sufragerie și doar 3 % în bucătărie. Consumul mediu din sufragerie a fost de 12.3
kWh/zi, datorită faptului că există un număr mare de calculatoare, monitoare și aici au loc
activități de cercetare. Detaliile se regăsesc în tabelul următor:
Tabel5. Energie contorizată de wattmetre
Lumini
[kWh]
Living
[kWh]
Bucătărie
[kWh]
Sistem de
monitorizare
[kWh]
Rezistența
electrică
[kWh]
Ventilatoare
[kWh]
Baie
[kWh]
Wattmeter E1 E2 E3 E4 E5 E6 E7
Nov 34.2 210.5 26.3 94 169.8 57.2 1.1
Dec 24.1 635.8 8.4 111.2 473.5 62.6 68.3
Jan 23.5 596.8 103.6 105.1 479.2 62.6 44.1
Feb 18.3 622.4 17.9 94 379.1 56.6 14.8
Mar 25.9 122 19.7 104.5 214.6 62.6 16.3
Apr 22.3 39.4 2.5 100.4 5.6 60.6 4.3
Total 148.3 2,227 178.6 609.3 1,721.7 362.1 148.9
3.3. Bilanțul de energie
Producția de energie este monitorizată cu ajutorul software-urului invertorului. Energia
totală utilizată din sistemul de producție al energiei regenerabile a fost de 441 kWh pe durata
monitorizării. Ceea mai mică pondere a fost înregistrată în Ianuarie, datorită faptului că
-
2
4
6
8
10
12
14N
um
ăr d
e ore
pe
zi
Perioada [zile]
panourile au fost funcționale doar 20 de zile (de pe 6 până pe 26 Ianuarie), restul zilelor fiind
acoperite de zăpadă, după cum este detaliat în Figura 19.
Figura 19. Producția zilnică de energie
Ziua în care a fost înregistrată cea mai ridicată producție a fost pe 26 Aprilie, când
panourile au podus 7,89 kWh (6% din totalul produs în luna respectivă), datorită radiației solare
ridicate și numărului mare de ore de funcționare a sistemului (14 ore) – dataliat în figura 20.
Figura 20. Radiația solară și puterea produsă panorui în data de 26 Aprilie
0
1
2
3
4
5
6
7
8
11/1/2013 12/31/2013 3/1/2014 4/30/2014
Ener
gy [
kW
h]
Time [Month]
0
200
400
600
800
1,000
1,200
1,400
1,600
0
200
400
600
800
1,000
1,200
0:00 4:48 9:36 14:24 19:12 0:00
Pute
rea
PV
[W
]
Rad
iați
a so
lară
[W/m
2]
Perioada [minute]
Solar radiation PV Power
În această zi, puterea maximă ieșită din sistemul fotovoltaic a fost de 1240 W
(corespunzătoare radiației termice maxime – 1000 W/m2.
Pe întreaga perioadă de monitorizare, panourile fotovoltaice au acoperit 8,17 % din
energia totală consumată de casa pasivă, având un maxim în Aprilie, când procentul a fost de
57% din energie consumată în luna respectivă (datorită faptuli că rezistența electică a fost oprită
- Figura 17. Detaliile sunt prezentate în tabelul următor:
Tabel9. Bilanțul energetic pe perioada de monitorizare
Lună Noiembrie Decembrie Ianuarie Februarie Marite Aprilie Total
Consum [kWh] 539.1 1383.9 1414.9 1203.1 565.6 235.1 5395.7
Producție [kWh] 53.4 39.6 24.6 64.3 125.3 133.7 440.9
Procent [%] 9 2.86 1.73 5.34 22.15 56.87 8.17
În luna Aprilie au fost înregistrate 7 zile în care bilanțul energetic a fost pozitiv,
producția fiind mai mare decât consumul, surplusul fiind injectat în rețea. Astfel, cea mai mare
cantitate stocată în rețeaua internă a UPB-ului a fost pe 21 Aprilie, cand 22,42% din energie
produsă a fost injectată în rețea. În figura 21 sunt detaliate zilele în care producția a fost mai
mare decât consumul energetic (barele cu roșu).
Figura 21. Distribuția sursei de energie consumate în casa pasivă
4. Concluzii
Acest studiu a fost efectuat pentru a se evidenția comportamentul unei clădiri consturite
în conformitate cu standarul caselor pasive la clima din România, pe perioada de încălzire. S-
a evidențiat un consum foarte redus de energie pentru încălzirea spațiului (o reducere de
aproxiamtiv 90% față de media din România), fără a altera confortul interior.
Consumul total de energie a fost de 38,6 kWh/m2, ținând cont și de sistemul de
monitorizare, sistem inexistent la o clădire standard (consumul fără sistemul de monitorizare a
fost de 34,2 kWh/m2). Energia consumată pentru încălzire a fost de doar 14,88 kWh/m2/an,
însemnând 39% din totalul energetic consumat, valoare ce se încadrează în cerințele Institului
Caselor Pasive de la Darmstadt.
Importanța producerii energiei insitu din surse regerenabile este stipulată în definiția
clădirilor cu un consum energetic aproape zero, emisă de Consiliul European prin Directiva
Performanțelor energetice ale Clădirilor [21]. Sistemul de panouri fotovoltaice a acoperit 8,17
% din energia totală consumată în casa pasivă, iar în Aprilie procentul de apoerire a fost maxim,
pentru perioada monitorizată, înregistrându-se 56,87 %. Acest lucru ne permite să extrapolăm
fenomenul și să estimăm faptul că, pe perioada verii, în funcție de condițiile climatice,
producția va acoperi întreg consumul energetic din casa pasivă.
În continuare se va realiza un studiu asupra comporamentului casei pasive în perioada
de răcire, cunoscându-se problema supra-încălzirii a clădirilor cu o inerție termică mare în
anotimpul rece
Bibliorafie
[1] Dfiniția Caselor Pasive
Website: http://www.passivhaustagung.de/Passive_House_E/passivehouse_definition.html
[2] Heyduk E., From Low-Energy House to the Passive House, International Passive House Summer
School for students, IG Passivhaus Karnten, 2009
[3] IEEA (The ‘Passive-On’ Project). The passivhaus standard in European warm climates. Part 1-4
(2007).
[4] Sustainable Energy Ireland (SEI ), Passive homes – Guidelines for the design and construction of
passive house dwellings in Ireland, page 1, 2007
[5] K. Thullner, Low-Energy buildings in Europe – Standards, criteria and consequences. A study of
nine European countries. PhD thesis, 2010.
[6] Passipedia, Basics
Website: http://passipedia.passiv.de/passipedia_en/basics
[7] H.F. Kaan, B.J. Boer, Passive Houses: Achievable Concepts for Low CO2 Housing, ISES
Conference 2005, Orlando, USA, September 2005
[8] W. Feist, J. Schnieders, V. Dorer, A. Haas, Re-inventing air heating: Convenient and comfortable
within the frame of the Passive House concept, Energy and Buildings, vol. 37, issue 11, 2005, pp.
1186-1203
[9 ] Audenaert, S.H. De Cleyn, B. Wankerckhove, Economic analysis of passive houses and low-
energy houses compared with standard houses, Energy Policy 36, pages 47-55, 2008
[10] Anastasiu Madalina, Milandru Adriana “Case pasive adecvate conditiilor climatice din
Romania”
[11] Vladimir Tanasiev, „Contribuții la dezvoltarea conceptului de clădire inteligentă cu înaltă
eficiență energetică„ teză de doctorat, 2012
[12] Wolfgang Feist, Ventilation in Passive House – only High Efficiency Will Work: Passive House
Institute.
Website: http://www.passivhaustagung.de/Passive_House_E/passive_house_ventilation.html
[13] Gabriela Vlad, Constantin Ionescu, Horia Necula, Adrian Badea, Thermoeconomic design of an
earth to air heat exchanger used to preheat ventilation air in low energy buildings, International
Conference on Energy, Environment, Entrepreneurship, Innovation, Lanzarote, Spania, 27-29 mai
2011, p.11-16
[14] G. Vlad, C. Ionescu, H. Necula, A. Badea, Simulations of an air heating/cooling system that uses
the ground thermal potential and heat recovery, U.P.B. Scientific Bulletin, Series C, vol. 75, issue 3,
2013, ISSN 2286-3540
[15] C. Ionescu, HVAC solutions for the passive houses from University POLITEHNICA of
Bucharest, International Energy-Environment Conference (CIEM), 2011
[16] National Oceanic and Atmospheric Administration – NOAA. "Bucharest Baneasa Climate
Normals 1961-1990"
[17] ASHRAE Handbook I-P Edition, Indoor Environmental Health, page 10, 2001
[18] V. Tanasiev., Contributions to the development of intelligent building concept with high energy
efficiency, PhD thesis, 2012
[19] V. Tanasiev, B. Carutasiu, A. Badea, Dynamic simulation of energy consumption for a passive
house in Romanian climate conditions: a case study, International Conference on Energy and
Environment – CIEM 2013, Bucharest
[20] B. Carutasiu, V. Tanasiev, C. Ionescu, A. Badea, Nearly zero energy buildings in temperate
continental climate – a case study for Romania, Colloque Franchophone en Energie, Environment,
Economie et Thermodynamique – COFRET, 2014, Paris
[21] DIRECTIVE 2010/31/EU OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL 19
May 2010 on the energy performances of buildings (recast)