Subcapitolul 4 - 4.4. Sisteme urbane pentru încălzire/răcire - Metodologie din 2023 DE CALCUL AL PERFORMANŢEI ENERGETICE A CLĂDIRILOR, INDICATIV Mc 001-2022
M.Of. 46 bis
În vigoare Versiune de la: 16 Februarie 2023
SUBCAPITOLUL 4:4.4. Sisteme urbane pentru încălzire/răcire
SECŢIUNEA 1:4.4.1. Obiective şi domeniu de aplicare
În acest capitol se determină indicatorii energetici ai sistemelor energetice de tip centralizat. Sistemele energetice centralizate pot fi încălzirea centralizată, răcirea centralizată sau alt serviciu care implică agenţi termici produşi şi distribuiţi centralizat.
Notă: În Directiva 2012/27/EU articolul 2 Nr. (41) se defineşte prin "încălzire şi răcire centralizată, eficientă "un sistem centralizat de încălzire sau răcire care utilizează cel puţin 50% energie regenerabilă, 50% căldură reziduală, 75% energia termică produsă în cogenerare sau 50% dintr-o combinaţie de acest fel".
SECŢIUNEA 2:4.4.2. Principiul metodei de calcul (sursa - SR EN 15316-4-5)
(1)_
Sistemul energetic centralizat este considerat ca o "cutie neagră" (figura 4.14) pentru care indicatorii de performanţă energetică sunt determinaţi şi exprimaţi prin raportul dintre energia introdusă în sistem şi energia furnizată de acesta.
Calculul surselor şi a reţelelor de distribuţie se poate face considerând un singur sistem, sau acestea pot fi împărţite în subsisteme (figura 4.16). Această situaţie poate să apară când părţi ale reţelei de transport sunt operate de diferite companii de utilităţi sau funcţionează cu parametri de sistem diferiţi. Astfel, acest mod de tratare a problemei va avea ca rezultat subsisteme care consumă energie şi respectiv subsisteme care furnizează energie. Energia dintr-un subsistem furnizor se evaluează prin intermediul propriilor indicatori de energie. Pentru subsistemul consumator, aceasta este o sursă externă de energie care este luată în considerare ca energie de intrare, având indicatorii ei energetici specifici. Conform SR EN 15316-4-5 - Tabelul B.7, subdiviziunea sistemelor este permisă numai dacă energia este măsurată la limita sistemului. Această cerinţă asigură faptul că indicatorii care rezultă urmează fluxurile energetice fizice.
Dacă este cazul şi există cerinţe specifice (de exemplu soluţii contractuale diferite), acestea trebuie prezentate printr-un tabel urmând formatul recomandat de SR EN 15316-4-5-Tabelul A.7.
Astfel, se poate calcula coeficientul de pondere a sistemului energetic centralizat:
Modulul M1-7 aferente standardelor oferă valori implicite care se pot utiliza în calculele efective.
Dacă nu se pot calcula indicatorii energetici ai sistemului de furnizare, dar sunt cunoscute cel puţin energia primară şi tipul de echipament de conversie a energiei, atunci pot fi utilizate valorile implicite din anexa B.3 din SR EN 15316-4-5.
(2)4.4.2.1. Date de ieşire relevante pentru evidenţierea performanţei energetice
Indicatori energetici
Rezultatele procedurilor de calcul sunt indicatori care caracterizează un sistem energetic centralizat (Tabelul 4.4). Aceşti indicatori sunt împărţiţi în două categorii, adică pe de o parte reflectă aspectele legate de randament, iar pe de altă parte ţin seama şi de sursa de preparare a agenţilor termici. Indicatorii aferenţi surselor de energie nu reflectă aspectele legate de eficienţa sistemului, ci caracterizează strict sursa de preparare a agenţilor termici.
Tabel 4.4. Date de ieşire (sursa SR EN 15316-4-5)
Descriere | Simbol | Unitate |
factor al energiei primare | fP;des | - |
factor de emisii Co2 | fCO2;des | - |
Parte din energie regenerabilă | RERdes | - |
Parte din căldura reziduală "deşeu" | WHRdes | - |
Parte de căldură cogenerată | CHRdes | - |
(3)4.4.2.2. Date de intrare
Marea majoritate a sistemelor analizate sunt deja existente, astfel încât acestea ar trebui evaluate pe baza datelor energetice măsurate. Datorită numeroşilor factori care pot afecta şi influenţa sistemele energetice centralizate, indicatorii pot fluctua în timp.
La determinarea condiţiilor de funcţionare finală se va ţine seama de condiţiile de proiectare, de datele tehnice de fabricaţie ale echipamentelor dar şi de evoluţiile previzionate în privinţa eventualelor modificări ale cererii de căldură, modificări ale numărului de consumatori, orientarea către alte surse şi/sau agenţi termici.
(4)4.4.2.3. Pasul de timp
În general, pentru schemele existente, calculele se pot realiza pe baza datelor energetice măsurate în ultimii trei ani. Dacă însă configuraţia sistemului sau tipul de combustibil au fost schimbate în ultimii trei ani, atunci calculul se poate baza şi pe datele energetice dintr-un singur an.
Sistemele mari, care deservesc sute sau chiar mii de clienţi, de regulă nu au posibilitatea de a determina lunar toate datele necesar a fi introduse. Majoritatea indicatorilor energetici vor fi, prin urmare, cei determinaţi anual.
În unele cazuri speciale sunt necesare şi disponibile date de intrare sezoniere sau lunare, de exemplu într-un sistem de trigenerare, în care răcirea este realizată de o maşină frigorifică cu absorbţie. Datele de intrare sezoniere sau lunare facilitează determinarea distinctă a unui indicator de performanţă pentru răcire şi a unui indicator de performanţă pentru încălzire.
(5)4.4.2.4. Procedura de calcul
Metoda simplificată
Deoarece fiecare sistem energetic centralizat este unic, nu este posibil să se indice o regulă de calcul specifică pentru fiecare caz.
Principiul de bază descris în SR EN 15316-4-5 articolul 6.1. este general valabil şi poate fi aplicat oricărei scheme. Atâta timp cât limitele sistemului sunt clar definite şi fluidul caloportor care traversează limita sistemului este cunoscut, principiul de bază conduce la rezultate rezonabile (excepţie: sistem de încălzire centrală care include o cantitate importantă de energie electrică provenită din alte surse decât cele de cogenerare).
Dacă se ia ca exemplu un sistem centralizat de încălzire/răcire în care un echipament de cogenerare produce căldură, un chiller produce frig, iar o pompă de căldură produce căldură şi frig (figura 4.17), pentru aplicarea metodei simplificate sunt necesare numai fluxurile de energie care trec limita sistemului (cantităţile 1, 2, 3, 8 şi 9).
Abordarea prin metoda simplificată poate fi aplicată în trei moduri diferite astfel:
CAZUL a) căldura este considerată ca fiind produsul principal al sistemului iar factorul său de ponderare este necesar pentru evaluarea clădirilor alimentate. În acest caz, "frigul" este exportat către un alt sistem sau zonă şi este considerat ca un bonus. Factorii de ponderare ai energiei exportate aferentă răcirii pot fi valori implicite bazate pe convenţii, sau pot fi calculaţi (figura 4.17.a).
CAZUL b) răcirea este considerată ca fiind produsul principal al sistemului şi factorul său de pondere este necesar pentru evaluarea clădirilor conectate. În acest caz, căldura este exportată către un alt sistem sau zonă şi este considerată ca un bonus. Factorii de pondere ai căldurii exportate pot fi valori implicite bazate pe convenţii sau pot fi calculaţi (figura 4.17.b).
CAZUL c) încălzirea şi răcirea sunt livrate aceloraşi clienţi şi sunt evaluate împreună cu aceiaşi factori de ponderare. (figura 4.17.c). Acest caz este un exemplu pentru combinarea sistemelor în conformitate cu SR EN 15316-4-5 articolul 6.2.3 şi Tabelul B.6.
Dacă sunt necesari atât un factor de pondere specific pentru încălzire, cât şi un factor de pondere specific pentru răcire, trebuie aplicată regula detaliată de calcul conform SR EN 15316-4-5 art. 6.2.2.4. Pentru acest calcul sunt necesare cantităţile 5 şi 6:
Exemplele de calcul pentru astfel de sisteme de alimentare cu energie electrică, încălzire şi răcire centralizată se redau în anexa B a SR CEN/TR 15316-6-8.
Metoda calculului detaliat
În calculele detaliate, sistemele nu mai sunt privite ca nişte "cutii negre" ci sunt necesare mai multe informaţii. Calculele sunt distincte şi specifice pentru sistemul sursa şi respectiv pentru sistemul de distribuţie (figura 4.18). Acest tip de calcul este aplicabil mai ales atunci când sursa, respectiv sistemul de distribuţie sunt exploatate de operatori diferiţi.
Sursa de energie
Sursa de energie poate fi o unitate de cogenerare, o sursă utilizând energie regenerabilă de tip clasic sau o combinaţie între acestea.
1.Sursă de tip cogenerare (sursa - SR CEN/TR 15316-6-8)
Sursele de cogenerare pot funcţiona în cogenerare la capacitate maximă, în regim de necogenerare sau în modul hibrid. Schema de configurare a unei astfel de surse este prezentată în figura 4.19:
În timpul modului de funcţionare mixt/hibrid doar cantităţile 1, 10 şi 11 pot fi măsurate. Indicele de cogenerare sigma (raportul dintre energia electrică şi căldură) şi eficienţa electrică în modul de necogenerare etael, ncm sunt necesare ca date de intrare suplimentare. Cantităţile 3 şi 4 reprezintă energia primară în modul de cogenerare. Cantităţile 7 şi 8 reprezintă energia produsă în modul de cogenerare. Cantităţile 2 şi 6 sunt excluse din calcul.
Astfel, căldura produsă în regim de ne-congenerare Qncm se calculează ca:
Qncm = Qpr - Qcm (4.135)
Ein;T;ncm = Qncm / etaT;ncm (4.136)
unde
etaT;ncm este randamentul termic în modul de funcţionare de ne-cogenerare.
Pentru identificarea modului de funcţionare pentru producerea de energie electrică, se determină randamentul global al unităţii de cogenerare, etachp;tot:
etachp;tot = (Eel;pr + Qcm) / (Ein - Ein;T;ncm) (4.137)
- dacă etachp;tot < etaref;tot se consideră că unitatea de cogenerare funcţionează în mod non-cogenerare sau în modul mixt / hibrid, iar partea de cogenerare se determină ca în paragraful următor.
- dacă etachp;tot > / = etaref;tot unitatea de cogenerare funcţionează în modul de cogenerare şi nu se poate aplica paragraful următor.
O unitate de cogenerare care nu utilizează toată căldura şi o evacuează în mediul înconjurător, are un randament total general mai scăzut. Acest lucru se poate realiza atunci când unitatea de cogenerare urmăreşte în special cererea de energie electrică. Rezultatul calculului performanţei energetice a căldurii cu metoda bonusului de putere, a metodei alternative de producţie şi a metodei căldurii reziduale („deşeu”) poate fi alterat dacă nu sunt excluse din calcul partea de noncogenerare a energiei electrice şi consumul respectiv de combustibil. Acest lucru depinde de:
- diferenţa dintre eficienţa electrică a unităţii de cogenerare şi eficienţa electrică dată de factorul de pondere a energiei electrice exportate (metoda bonusului de putere);
- diferenţa dintre eficienţa electrică a unităţii de cogenerare şi eficienţa electrică a producţiei de energie electrică de referinţă (metoda căldurii reziduale);
- diferenţa dintre energia electrică produsă în modul complet de cogenerare şi energia electrică produsă în mod non-cogenerare.
Valorile implicite pentru etaref;tot ar trebui să fie suficient de ridicate pentru ca partea de non-cogenerare să fie neglijabilă în calculul performanţei energetice, la producerea căldurii.
Energia electrică aferentă modului de producţie în cogenerare:
În modul hibrid Eel;cm şi Ein;cm nu pot fi măsurate direct. Acestea se calculează ca fiind:
Eel;cm - Qcm * sigma (4.138)
unde
sigma indicele de cogenerare şi
Eel;ncm = Eel;pr - Eel;cm (4.139)
Ein;cm = Ein - (Eel;ncm - etael;ncm) - Ein;T;ncm (4.140)
unde
etael;ncm randamentul producerii energiei electrice a unităţii de cogenerare în mod ne-cogenerare.
Factorii de pondere pentru căldură
Există mai multe metode pentru a determina factorii de pondere ai unui sistem de încălzire centralizată care include o sursă de cogenerare. Este în general dificil a cuantifica cota parte din energia primară introdusa Ein;T prin combustibilul utilizat de sursa de cogenerare asociat numai căldurii produse si nici nu poate fi măsurata direct. Criteriile de selecţie a metodei aplicabile, se găsesc în Tabelul A.11 şi B11 din SR EN 15316-4-5. Astfel, factorii de pondere se calculează prin una din următoarele metode.
a)Metoda "bonusului" de putere
Această metodă se aplică tuturor unităţilor de cogenerare. Fluxurile energetice legate de energia electrică din modul de producţie fără cogenerare pot distorsiona rezultatul pentru căldură, astfel încât acestea trebuie identificate şi sunt excluse din calcul. Metoda poate fi exprimată şi cu indicatori de eficienţă în loc de cantităţi de energie.
Primul termen reprezintă energia primară introdusă într-o unitate de cogenerare, al doilea termen reprezintă energia de intrare primară introdusă în sursa de vârf, al treilea termen reprezintă producţia de energie electrică a unităţii de cogenerare. Dacă sistemul include mai multe unităţi de cogenerare, relaţia trebuie adaptată corespunzător.
b)Metoda simplificată a pierderii puterii electrice
Metoda se aplică numai în cazul surselor în care se utilizează turbine în condensaţie iar căldura este produsă prin extragerea unei prize reglabile de abur. În această situaţie, deoarece prin priza turbinei se extrage abur pentru producerea căldurii, se produce o cantitate mai mică de energie electrică cu:
Delta Eel = Ein - etael;ncm - Eel;pr (4.142)
- Partea aferentă căldurii din factorul de pondere în energia de intrare către unitatea de cogenerare este reprezentată de termenul: Delta Eel * fwe;el;exp.
Metodele prezentate anterior sunt cele mai uzuale. Ambele necesită valori de referinţă din sisteme externe pentru energia electrică şi de aceea nu pot fi calculaţi factori de pondere aferenţi energiei electrice produse (acest indicator fiind chiar un termen de intrare pentru metoda de calcul).
Calculul factorilor de pondere pentru căldură şi energie electrică
Metodele prezentate mai jos permit determinarea factorilor de pondere pentru căldură şi pentru energie electrică. Energia intrată în unitatea de cogenerare va fi împărţită între o parte afectată producerii de căldură şi o altă parte afectată producţiei de energie electrică. Astfel, într-un sistem de încălzire centralizată, partea din energia intrată prin combustibilul utilizat în sursa de cogenerare afectată producerii căldurii Ein;T va fi integrată la numărător, în formula (4.71).
Ein;T =alfaT * Ein (4.143)
unde:
Ein;T partea din energia introdusă în unitatea de cogenerare aferentă căldurii;
alfaT factorul de alocare pentru căldură;
Ein;el = (1 - alfaT) * Ein (4.144)
unde:
Ein;el partea din energia introdusă prin combustibil aferentă producerii de energie electrică.
a)Metoda pierderii de putere electrică
Metoda este aplicabilă când căldura este extrasă prin prize dintr-o turbină cu condensaţie. Este singura metodă care permite determinarea cheltuielilor reale de producere a căldurii într-o unitate de cogenerare fără sisteme de referinţă externe. Se bazează pe date specifice ale unităţii de cogenerare şi reflectă eficienţele componentelor sale tehnice. Aceasta se bazează pe ideea că partea (cantitatea) de combustibil care este legată de producţia de energie electrică pierdută datorită extracţiei de căldură, va fi alocată căldurii. Metoda nu necesită excluderea părţii legate de electricitate a modului de necogenerare. În acest caz, factorul de alocare pentru căldură se va calcula ca:
alfa T = Delta Eel / (Eel;pr - Delta Eel) (4.145)
b)Metoda Carnot
Metoda Carnot este o versiune simplificată a metodei exergetice. Pentru aplicarea metodei este nevoie de temperaturi ca date suplimentare de intrare. Aceste temperaturi sunt însă uşor de măsurat. Se recomandă utilizarea temperaturii aerului exterior din locul în care este montată instalaţia. Pentru sistemele cu temperaturi de alimentare variabile se recomandă utilizarea unui interval de calcul lunar. Sistemele cu o temperatură constantă de alimentare pot fi calculate anual. Temperatura medie a căldurii poate fi calculată uşor pornind de la temperaturile de alimentare şi de retur, la limita sursei sau la ieşirea la nivelul unităţii de cogenerare, dacă este disponibilă.
Dacă temperatura de retur nu este disponibilă, se poate utiliza o diferenţă Delta T = 20 K. În cazul unui sistem de alimentare cu abur se foloseşte temperatura aburului. Nu sunt necesare date din sisteme de referinţă externe. Metoda Carnot nu necesită excluderea părţii legate de energia electrică a modului non-cogenerare. Se poate aplica tuturor unităţilor de cogenerare. Ideea de bază este legată de metoda pierderii electrice, dar se bazează mai mult pe conceptul fizic de exergie. Acesta determină valoarea exergiei şi o compară cu energia electrică produsă pentru alocarea cantităţii de combustibil. În acest caz, factorul de alocare pentru căldură se va calcula ca:
Dacă unitatea de cogenerare furnizează către mai mult de un sistem de distribuţie cu diferite niveluri de temperatură, atunci Tchp;mn şi alfaT vor fi determinate separat pentru fiecare sistem de distribuţie.
c)Metoda alternativă de producere a energiei termice şi electrice
Pentru metoda alternativă de producere se definesc date suplimentare de intrare privind două sisteme de referinţă externe şi excluderea părţilor de energie termică şi electrică aferente modului de necogenerare. Aceasta metoda alocă o cantitate mai mare de combustibil producerii căldurii decât celelalte metode. Fluxurile de energie ale modului non-cogenerare (cantităţile 2, 5, 6 şi 9 din figura 19) sunt excluse din calcul.
Aceste randamente se specifică în conformitate cu modelul prezentat în tabelul A.10 din SR EN 15316-4-5. Valorile implicite informative pot fi găsite în Tabelul B.10. SR EN 15316-4-5.
d)Metoda căldurii reziduale ("deşeu")
În această metodă trebuie introduse date suplimentare despre sisteme de referinţă. Fluxurile energetice 2 şi 6 din figura 4.19 care se referă la modul de necogenerare se vor exclude din calcul. Această metodă foloseşte aceeaşi idee ca şi metoda bonusului de putere, dar facilitează determinarea factorilor pentru energia electrică. Singura diferenţă faţă de metoda bonusului de putere este că sistemul de referinţă extern este reprezentat de randamentul producerii de energie electrică în locul factorului de energie primară.
În cazul unei singure unităţi de cogenerare care produce energie electrică numai în modul de cogenerare, se aplică:
în timp ce prin metoda bonusului de putere este sub forma relaţiei:
astfel încât, dacă unitatea de cogenerare utilizează acelaşi combustibil ca şi sistemul de referinţă, rezultatele celor două metode sunt aceleaşi.
e)Metoda pierderii electrice de referinţă
Această metodă urmează aceeaşi idee ca metoda simplificată de pierdere electrice, dar facilitează determinarea factorilor de energie electrică. Singura diferenţă faţă de metoda simplificată a pierderilor electrice este că sistemul de referinţă extern este reprezentat de eficienţa producţiei de energie electrică în locul factorului de energie primară.
În cazul unei singure unităţi CHP care produce căldură numai în modul de cogenerare complet:
în timp ce prin metoda simplă de pierdere de putere electrică devine:
astfel încât, dacă unitatea de cogenerare utilizează acelaşi combustibil ca şi sistemul de referinţă, rezultatele celor două metode sunt aceleaşi.
În SR CEN/TR 15316-6-8 ANEXA B sunt redate exemple numerice de aplicare a metodelor menţionate.
Concluzionând, pentru un anumit sistem care alimentează în mod centralizat cu energie termică un număr de consumatori, rezultatele ar putea fi sistematizate într-un Raport care să includă:
- Numele localităţii deservite prin sistemul centralizat;
- Numele operatorului ce exploatează sistemul;
- Indicii de performanţă energetică ai sistemului (cu menţionarea anilor din care au provenit datele măsurate):
Indicii de performanţă energetică ai sistemului
Rezultatele obţinute prin metodele menţionate în acest subcapitol şi sintetizate în astfel de Rapoarte ar trebui să reflecte performanţele fiecărui sistem centralizat în parte. Aceste valori ar trebui să fie cunoscute de către auditori prin Anexe la nivel naţional şi utilizate în calculul performanţelor energetice ale obiectivelor certificate/auditate care sunt alimentate în sistem centralizat.
2.Sursa de tip pompe de căldură
Dacă o pompă de căldură oferă răcire şi încălzire în acelaşi timp şi sunt necesari indicatori de energie pentru fiecare dintre cele două produse, energia introdusă trebuie împărţită în funcţie de energia produsă.
Sistemul de distribuţie
Pierderea termică şi energia electrică auxiliară a unei reţele energetice centralizate se calculează în conformitate cu standardele europene aferente. Pierderile de distribuţie calculate se utilizează pentru determinarea energiei la ieşirea din sursă sau a energiei furnizate conform formulei următoare, în funcţie de datele disponibile.
Eout;gen = Edel + Edis;ls (4.154)
unde
Eout;gen Energia produsă la ieşirea din sistem;
Edel Energia livrată;
Edis;ls Pierderi aferente sistemului de distribuţie;
Dacă datele de intrare pentru un anumit calcul nu sunt disponibile, pierderea prin reţeaua de distribuţie poate fi setată la o valoare implicită. Modul în care trebuie introduse valorile pentru valorile implicite este prezentat în Tabelul A.8. Valorile implicite informative pot fi găsite în Tabelul B.8. SR EN 15316-4-5.
Sistemele de distribuţie care livrează diferiţi agenţi termici pot fi combinate într-un singur sistem dacă sunt îndeplinite cerinţele care sunt prezentate conform modelului din tabelul A.6. Opţiunile implicite informative pot fi găsite în Tabelul B.6. SR EN 15316-4-5.
SECŢIUNEA 3:4.4.3. Calculul indicatorilor sursei de energie (sursa - SR EN 15316-4-5)
Sunt calculaţi o serie de indicatori care caracterizează sursele de energie. Astfel:
a)Partea provenită din energie regenerabilă:
b)Partea ce provine din căldura reziduală ("deşeu")
c)Partea de căldură obţinută în cogenerare (Grad de cogenerare)
În SR CEN/TR 15316-6-8 Anexele A - C sunt date exemple de calcul. În aceste Anexe se regăsesc şi valori implicite ale unor date necesare în calculul ce se efectuează prin metodele prezentate.