pdf romana - Universitatea Transilvania

Investeşte în oameni!
FONDUL SOCIAL EUROPEAN
Programul Operaţional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 – 2013
Axa prioritară 1 „Educaţie şi formare profesională în sprijinul creşterii economice şi dezvoltării societăţii bazate pe cunoaştere”
Domeniul major de intervenţie 1.5 „Programe doctorale şi post-doctorale în sprijinul cercetării”
Titlul proiectului: „Investiţie în dezvoltare durabilă prin burse doctorale (INED)”
Numărul de identificare al contractului: POSDRU/88/1.5/S/59321
Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braşov
Universitatea Transilvania din Braşov
Şcoala Doctorală Interdisciplinară
Centrul de cercetare: Sisteme de Energii Regenerabile şi Reciclare
Ing. Cristina ŞERBAN
Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-
termice la necesarul termic al unei clădiri
Adjustment of the tracking system of solar-thermal
collectors to the heating load of a building
Conducător ştiinţific
Prof. dr. ing. Elena EFTIMIE
BRASOV, 2012

MINISTERUL EDUCAŢIEI, CERCETARII, TINERETULUI ŞI SPORTULUI
UNIVERSITATEA “TRANSILVANIA” DIN BRAŞOV
BRAŞOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525
RECTORAT
D-lui (D-nei) ..............................................................................................................
COMPONENŢA
Comisiei de doctorat
Numită prin ordinul Rectorului Universităţii „Transilvania” din Braşov
Nr. 5319 din 26.07.2012
PREŞEDINTE: Prof.dr.ing. Ioan VIŞA,
Universitatea Transilvania din Braşov
CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC: Prof.dr.ing. Elena EFTIMIE
Universitatea Transilvania din Braşov
REFERENŢI: Prof.dr.ing. Liviu VAIDA
Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca
Prof.dr.ing. Vasile BOLOŞ
Universitatea Petru Maior din Târgu Mureş
Prof.dr.ing. Gheorghe MOLDOVEAN
Universitatea Transilvania din Braşov
Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: 25 Septembrie 2012,
ora 10 30 , sala de conferinţe L2, Institut CDI (Str. Institutului nr. 10).
Eventualele aprecieri sau observaţii asupra conţinutului lucrării vă rugăm să le
transmiteţi în timp util, pe adresa cristina.serban@unitbv.ro.
Totodată vă invităm să luaţi parte la şedinţa publică de susţinere a tezei de
doctorat.
Vă mulţumim.

CUPRINS
LISTA DE NOTAŢII
INTRODUCERE
1. STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR ÎN DOMENIUL
SISTEMELOR SOLAR-TERMICE
1.1. Colectoare solar-termice
1.2. Sisteme care utilizează colectoare solar-termice
1.2.1. Instalaţii cu circuit deschis
1.2.2. Instalaţii cu circuit închis
1.3. Unghiuri de orientare solară
1.4. Sisteme de orientare utilizate pentru colectoare solar-termice
1.5. Concluzii
1.6. Formularea obiectivelor tezei de doctorat
2. SISTEMATIZAREA PARAMETRILOR OBIECTIVELOR DE
CERCETARE
2.1. Aspecte generale
2.2. Parametrii climatici care influenţează proiectarea instalaţiilor solartermice.
Particularităţi climatice şi geografice ale zonei Braşov
2.2.1. Temperatura mediului ambiant
2.2.2. Viteza vântului
2.2.3. Modelarea radiaţiei solare
2.3. Dezvoltarea unei baze de date climatice. Aplicaţie pentru zona Braşov
2.4. Determinarea sarcinii termice a unei clădiri prin metode dinamice avansate
2.4.1. Soft-ul TRNSYS
2.4.2. Modelul termic al clădirii
2.4.3. Determinarea necesarului de energie termică
2.5. Concluzii şi contribuţii originale
3. STABILIREA PROGRAMELOR OPTIME DE ORIENTARE A
SISTEMELOR CU ORIENTARE CONTROLATĂ ÎN RAPORT CU
SARCINA TERMICĂ IMPUSĂ
3.1. Controlul sistemului de orientare
3.2. Parametri programului de orientare
3.3. Determinarea programului de orientare optim în condiţii de sarcină
termică maximă
3.4. Determinarea programului optim de orientare în condiţii de sarcină
termică nulă
3.5. Determinarea programului optim de orientare în condiţii de sarcină
termică parţială
3.6. Concluzii şi contribuţii originale
4. STABILIREA SOLUŢIEI CONCEPTUALE ŞI DESIGNUL
CONSTRUCTIV AL SISTEMULUI COLECTOR SOLAR-TERMIC CU
1
Pg.
teza
Pg.
rezumat
4 -
9 -
13 5
13 5
15 5
15 -
16 5
17 6
19 7
24 9
24 10
25 11
25 11
27 11
28 12
29 12
31 13
38 15
38 16
38 16
39 16
43 17
49 19
51 20
51 20
53 20
58
65
21
24
68 25
73 26

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
ORIENTARE CONTROLATĂ
77 28
4.1. Parametri mecanismului de orientare
77 28
4.2. Design-ul constructiv şi modelarea virtuală a soluţiei mecanice
79 29
4.3. Verificarea la încărcări a sistemului pentru poziţiile defavorabile 82 -
4.4. Adaptarea programului de orientare la mecanismul de acţionare
4.4.1. Implementarea programului optim de orientare pentru realizarea
89 30
curselor diurne mari
4.4.2. Implementarea programului optim de orientare pentru zona Braşov
89 30
(cursă unghiulară diurnă ∆ε*=120°)
4.5. Simularea computerizată a funcţionării mecanismului de orientare
95 -
pseudo-azimutală
99 31
4.6. Concluzii şi contribuţii originale
5. SIMULAREA ENERGETICĂ A INSTALAŢIILOR SOLAR-TERMICE.
105 33
STUDII DE CAZ
5.1. Simularea unei instalaţii în mediul de simulare TRNSYS – Modele de
107 35
componente utilizate
107 -
5.2. Studiu de caz I - Modelarea unui sistem de furnizare a apei calde menajere 108 -
5.3. Studiu de caz II - Modelarea unei instalaţii solar-termice hibride
116 35
5.3.1. Descrierea instalaţiei solar-termice
116 -
5.3.2. Simularea instalaţiei experimentale în mediul de simulare TRNSYS 117 35
5.4. Concluzii şi contribuţii originale
6. VALIDAREA REZULTATELOR TEORETICE PRIN TESTĂRI
133 40
EXPERIMENTALE
135 42
6.1. Descrierea instalaţiei de testare
135 42
6.2. Adaptarea programului de orientare la mecanismul de acţionare
137 -
6.3. Prelucrarea datelor experimentale
6.4. Validarea rezultatelor obţinute în urma simulărilor energetice realizate în
140 43
soft-ul TRNSYS
154 46
6.5. Concluzii şi contribuţii originale
7. CONCLUZII FINALE. CONTRIBUŢII ORIGINALE. DISEMINAREA
159 48
REZULTATELOR. DIRECTII VIITOARE DE CERCETARE
161 49
7.1. Concluzii finale
161 49
7.2. Contribuţii originale
164 51
7.3. Diseminarea rezultatelor
166 52
7.4. Direcţii viitoare de cercetare
167 53
BIBLIOGRAFIE
169 54
ANEXE
175 56
Anexa 1, Extras din subrutina Type 99 (TRNSYS) de prelucrare a datelor meteo 175 -
Anexa 2, Extras din aplicatia (TRNSYS) de calcul al necesarului de energie termică 179 -
Anexa 3, Scurt rezumat (română/engleză)
183 56
Anexa 4, Curriculum Vitae
184 57
Notă: Pentru capitole, subcapitole, figuri, relaţii şi bibliografie, în rezumat s-au păstrat numerele
de ordine din teză.
2

CONTENT
LIST OF NOTATIONS
INTRODUCTION
1. RECENT STATE OF THE RESEARCHES IN SOLAR-THERMAL
SYSTEMS FIELD
1.1. Solar-thermal collectors
1.2. Solar-thermal collector systems
1.2.1. Open loop systems
1.2.2. Closed loop systems
1.3. Solar tracking angles
1.4. Solar-thermal collector tracking systems
1.5. Conclusions
1.6. PhD thesis objectives
2. PARAMETERS SISTEMATIZATION OF THE RESEARCH
OBJECTIVES
2.1. General aspects
2.2. Climatic parameters that influence solar-thermal system design.
Climatic and geographic features of Braşov area
2.2.1. Ambient temperature
2.2.2. Wind speed
2.2.3. Solar radiation modelling
2.3. Developing a climatic database. Application for Braşov area
2.4. Thermal load determination of a building using dynamic advanced methods
2.4.1. TRNSYS soft-ware
2.4.2. Building thermal model
2.4.3. Determination of the thermal energy load
2.5. Conclusions and original contributions
3. ESTABLISHING THE OPTIMUM ORIENTATION PROGRAMS OF
THE SYSTEMS WITH CONTROLLED TRACKING CONSIDERING
THE THERMAL LOAD
3.1. Control of the tracking system
3.2. Orientation programs parameters
3.3. Determination of the optimum orientation program for maximum load
operating conditions
3.4. Determination of the optimum orientation program for zero load
operating conditions
3.5. Determination of the optimum orientation program for partial load
operating conditions
3.6. Conclusions and original contributions
4. ESTABLISHING CONCEPTUAL SOLUTION AND CONSTRUCTIVE
DESIGN OF A SOLAR-THERMAL COLLECTOR SYSTEM WITH
3
Pp.
thesis
Pp.
summary
4 -
9 -
13 5
13 5
15 5
15 -
16 5
17 6
19 7
24 9
24 10
25 11
25 11
27 11
28 12
29 12
31 13
38 15
38 16
38 16
39 16
43 17
49 19
51 20
51 20
53 20
58
65
21
24
68 25
73 26

Adaptation of solar-thermal collectors tracking system to the thermal load of a building
CONTROLLED TRACKING
4.1. Parameters of tracking mechanism
4.2. Constructive design and virtual modelling of the mechanical solution
4.3. Verifying at loads of the system for adverse positions
4.4. Adaption of the orientation program to the drive mechanism
4.4.1. Implementation of the optimum orientation program for large
angular strokes
4.4.2. Implementation of the optimum orientation program for Braşov
area (diurnal angular stroke ∆ε*=120°)
4.5. Computer simulation of the operation of pseudo-azimuthal tracking
mechanism
4.6. Conclusions and original contributions
5. ENERGY SIMULATION OF THE SOLAR-THERMAL SYSTEMS.
CASE STUDIES
5.1. System simulation in TRNSYS Simulation Studio – Model of used
components
5.2. Case study I – Hot water system modelling
5.3. Case study II – Hybrid solar-thermal system modelling
5.3.1. Solar-thermal system description
5.3.2. Experimental system simulation in TRNSYS Simulation Studio
5.4. Conclusions and original contributions
6. THEORETICAL RESULT VALIDATION THROUGH EXPERIMETAL
TESTING
6.1. Description of the experimental system
6.2. Adaption of the orientation program to the drive mechanism
6.3. Experimental data
6.4. TRNSYS energy simulation results validation
6.5. Conclusions and original contributions
7. FINAL CONCLUSIONS. ORIGINAL CONTRIBUTIONS. RESULT
DISSEMINATION. FUTURE RESEARCH DIRECTIONS
7.1. Final conclusions
7.2. Original contributions
7.3. Result dissemination
7.4. Future research directions
REFERENCES
ANNEXES
Annex 1, Extract from Type 99 component (TRNSYS) of weather data processing
Annex 2, Extract from thermal energy load calculus application (TRNSYS)
Annex 3, Abstract
Annex 4, Curriculum Vitae
4
77 28
77 28
79 29
82 -
89 30
89
95
30
-
99 31
105 33
107
35
107 -
108 -
116 35
116 -
117 35
133 40
135 42
135 42
137 -
140 43
154 46
159 48
161 49
161 49
164 51
166 52
167 53
169 54
175 56
175 -
179 -
183 56
184 57
Note: For chapters, subchapters, figures, equations and references, in the abstract, the numbering
from the thesis were kept

CAPITOLUL I
STADIUL ACTUAL AL CERCETĂRILOR ÎN DOMENIUL SISTEMELOR
SOLAR-TERMICE
La nivel global clădirile reprezintă 40% din consumul total de energie, dintre acestea
clădirile rezidenţiale şi comerciale necesitând aproximativ 35% din totalul de energie. Având în
vedere multitudinea posibilităţilor de a reduce în mod substanţial cerinţele de energie a clădirilor,
potenţialul de a economisi energia în mediul construit ar contribui foarte mult la reducerea
consumului de energie la nivel naţional [34], [70]. Consumatorii majori de energie din clădiri sunt
sistemele de încălzire, ventilaţie şi aer condiţionat (HVAC). La evaluarea costurilor unei clădiri noi,
sistemele HVAC pot reprezenta între 30% şi 50% din costuri în cazul clădirilor comerciale, şi de la
5% la 10% în cazul locuinţelor [23]. Abilitatea de a lua decizii sensibile şi bine fondate la alegerea
şi proiectarea sistemelor HVAC este de o importanţă covârşitoare în ceea ce priveşte impactul
economic şi cel asupra mediului.
Utilizarea surselor de energie regenerabilă pentru asigurarea necesarului de energie al unei
clădiri reprezintă o soluţie pentru rezolvarea problemelor identificate în domeniul clădirilor. Astfel,
pe lângă reducerea dependenţei de combustibilii fosili se vor observa şi avantaje precum:
reducerea cheltuielilor pentru energia termică utilizată pentru încălzirea spaţiilor şi preparare
a apei calde menajere;
creşterea temperaturilor interioare cu un nivelul scăzut al consumurilor energetice;
reducerea poluării mediului înconjurător şi a emisiilor de CO2.
1.1 COLECTOARE SOLAR-TERMICE
După modul de construcţie, colectoarele solare care nu folosesc concentrarea pot fi plane
sau cu tuburi vidate [98], [102], [105]. Acestea au o aplicabilitate mai largă fiind folosite atât în
instalaţiile solar-termice ale spaţiilor comerciale cât şi ale celor rezidenţiale. În general, acestea sunt
orientate Sud şi înclinate la un unghi optim, în funcţie de locaţie.
O nouă abordare în domeniul colectoarelor solare este oferită de panourile hibride
fotovoltaic-termice PV/T. Acestea produc energie electrică şi apă caldă într-un proces simultan. Ele
sunt folosite în principal pentru a produce energie electrică, apa caldă fiind un produs secundar.
În cadrul Departamentului Sisteme de Energii Regenerabile şi Reciclare a Universităţii
Transilvania din Braşov s-au dezvoltat o serie de cercetări în domeniul sistemelor de conversie a
energiei solare. În acest sens, au fost elaborate o serie de teze de doctorat [4], [5], [24], [45], [57]
care au avut ca obiectiv dezvoltarea unor noi sisteme de orientare a panourilor fotovoltaice (pentru
creşterea eficienţei de orientare) care au aplicabilitate şi în cazul colectoarele solar-termice prin
integrarea acestora în cadrul instalaţiei hidraulice [13].
1.2 SISTEME CARE UTILIZEAZĂ COLECTOARE SOLAR-TERMICE
Deoarece energia solară disponibilă este decalată faţă de necesarul termic pentru încălzire,
rezultă necesitatea adoptării unor măsuri precum: introducerea în cadrul sistemului a unei
componente de acumulare a căldurii, a izolării suplimentare a construcţiei şi a prevederii unor surse
auxiliare. Folosirea energiei solare ca sursa termică impune atât o arhitectură aparte a clădirilor,
precum şi o orientare a lor în raport cu poziţia Soarelui pe bolta cerească [25].
1.2.2 Instalaţii cu circuit închis
Aceste instalaţii se folosesc pentru încălzirea apei calde menajere, încălzirea spaţiilor şi a
apei din piscine. Aceste sisteme folosesc rezervoare de stocare, pompe electrice şi un panou de
control (fig. 1.4). Investiţia într-un astfel de sistem este mai mare, dar eficienţa este net superioară
faţă de un sistem cu circuit deschis [1], [26], [27], [66].
5

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
Fig. 1.4 Instalaţie solară cu circuit închis
Avantaje:
o rezistenţă la îngheţ datorită folosirii fluidelor solare speciale (antigel - tyfocor);
o utilizare pe toată perioada anului;
o flexibilitate în utilizare.
Dezavantaje:
• preţ de cost mai ridicat.
Echipamentele pentru prepararea apei calde menajere şi încălzirea spaţiilor cu ajutorul
surselor regenerabile de energie sunt dimensionate în general pentru regimul de “acumulare” şi nu
pentru regimul “instant”, datorită potenţialului solar variabil. Cu toate acestea, este necesară
adăugarea unei surse auxiliare pentru a asigura integral necesarul termic al unei clădiri pe toată
perioada anului. Instalaţiile solare hibride pot folosi ca sursă auxiliară boilere electrice, cazane pe
gaz (murale), pompe de căldură, etc. În perioadele foarte reci este posibil ca sursa auxiliară să preia
toată sarcina de încălzire pentru a asigura confortul termic în clădire.
Întrucât sarcina termică este diferită pe durata unui an, se pot identifica 3 regimuri de
funcţionare pentru instalaţia solar-termică:
Sarcină termică maximă: în perioada de iarnă, când este necesară maximizarea
aportului de energie provenit de la instalaţia solară pentru a acoperi cât mai mult din
necesarul de energie termică;
Sarcină termică parţială: în perioada de primăvară şi toamnă, datorită variaţiei
temperaturilor exterioare, când încă este necesară încălzirea spaţiului în zilele cu
temperaturi scăzute;
Sarcina termică nulă este caracteristică clădirilor de birouri, şcoli, teatre, etc. când în
perioada de vară, în timpul vacanţelor legale şi weekend-urilor, nu există necesar termic.
1.3 UNGHIURI DE ORIENTARE SOLARĂ
Deoarece viteza orbitală a Pământului variază pe parcursul unui an, timpul solar (TS) este
diferit faţă de timpul local (TL). Durata unei zile solare reale (timpul în care Pământul efectuează o
rotaţie completă în jurul axei sale faţă de Soare) nu este uniformă pe durata unui an.
Această variaţie se numeşte ecuaţia timpului (EOT) şi poate fi aproximată, în funcţie de
numărul zilei din an, cu ecuaţia [48]:
EOT = 0.
258 ⋅ cos x − 7.
416 ⋅ sin x − 3.
648 ⋅ cos 2x
− 9.
228 ⋅ sin 2x
, (1.1)
( ) ( ) ( ) ( )
( N 1)
/ 365.
242
x = 360 − , (1.2)
unde N reprezintă numărul zilei din an începând cu 1 Ianuarie ca prima zi.
6

I. Stadiul actual al cercetărilor în domeniul sistemelor solar-termice
Ecuaţia generalizată pentru a calcula timpul local aparent (TLA) este:
TLA=LT + EOT / DS - ( LL - LS)
/ 15 ,
unde: LT – reprezintă timpul local;
DS – ora de vară/iarnă (0 sau 60 min);
LL – longitudine locală;
LS – longitudine standard.
(1.3)
În continuare sunt prezentate relaţiile analitice care descriu mişcarea aparentă a Soarelui pe
bolta cerească [3], [15], [22], [40], [48].
Unghiul de declinaţie δ [°] reprezintă unghiul dintre planul Ecuatorului şi linia Pământ-
Soare. Se poate observa că, acest unghi variază între -23.45° la solstiţiul de iarnă şi +23.45° la
solstiţiul de vară, iar la echinocţii (durata zilei este egală cu cea a nopţii) aceasta este 0°. Literatura
de specialitate propune pentru determinarea declinaţiei următoarea relaţie [48]:
⎛ 360 ⋅ ( N − 80)
⎞
δ = 23 , 45 ⋅ sin⎜
⎟ .
⎝ 365 ⎠
(1.4)
Unghiul orar ω [°] este folosit pentru a descrie mişcarea Pământului în jurul propriei axe şi
reprezintă unghiul dintre meridianul observatorului şi meridianul al cărui plan conţine Soarele.
Acest unghi are valorile cuprinse între -180° şi +180°, acesta determinându-se cu relaţia [40]:
ω =
o
⋅ ( t -12)
. (1.5)
15 s
Unghiul altitudinal α [°] este unghiul dintre raza solară şi proiecţia acesteia în planul
orizontal. Relaţia analitică a unghiului altitudinal este [22], [40]:
sin( α) = sin(
δ)
⋅ sin(
ϕ)
+ cos(
δ)
⋅ cos(
ϕ)
⋅ cos(
ω)
. (1.6)
Unghiul azimutal ψ [°] este unghiul dintre proiecţia razei solare pe planul orizontal şi linia
Nord-Sud şi se determină cu relaţia [48]:
− ⎛ − cos(
δ)
⋅ sin(
ω)
⎞
ψ = sin ⎜
⎟
⎝ cos(
α)
⎠
1
. (1.7)
Unghiul de incidenţă ν [°] este unghiul dintre perpendiculara pe planul în cauză şi direcţia
razei solare [3]:
cos( ν)
= sin(
δ)
⋅sin(
ϕ)
⋅cos(
τ)
− sin(
δ)
⋅cos(
ϕ)
⋅sin(
τ)
⋅cos(
ψ)
+
+ cos(
δ)
⋅cos(
ϕ)
⋅cos(
τ)
⋅cos(
ω)
+ cos(
δ)
⋅sin(
ϕ)
⋅sin(
τ)
⋅cos(
ψ)
⋅cos(
ω)
+ (1.8)
+ cos(
δ)
⋅sin(
τ)
⋅sin(
ψ)
⋅sin(
ω),
unde τ este unghiul de înclinare al colectorului faţă de orizontală.
Expresiile analitice descrise mai sus stau la baza proiectării sistemelor de orientare a
panourilor solare şi a formulării unor recomandări privind exploatarea sistemelor solare în funcţie
de locaţia dată.
1.4 SISTEME DE ORIENTARE UTILIZATE PENTRU COLECTOARE
SOLAR-TERMICE
Maximizarea aportului de energie solară – la producerea apei calde menajere şi încălzirea
spaţiilor – conduce la necesitatea utilizării sistemelor de orientare solară şi pentru colectoarele
solar-termice. Scopul sistemelor de orientare este de a minimiza unghiul de incidenţă, format între
raza solară şi normala la panoul solar. În acest fel, sistemele de orientare cresc cantitatea de energie
captată de colector, reducând astfel şi suprafaţa totală de colectoare necesară pentru a acoperi
necesarul termic dorit. În tabelul 1.1 sunt prezentate 4 soluţii constructive de sisteme de orientare
identificate în literatura de specialitate, respectiv două sisteme bi-axiale [80], [85] şi două sisteme
mono-axiale [69], [71]:
7

SISTEME BI-AXIALE
SISTEME MONO-AXIALE
Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
Tabelul 1.1 Sisteme de orientare - Soluţii constructive
În literatura de specialitate se regăsesc 4 categorii de sisteme de orientare, definite în funcţie
de unghiurile solare; aceste sisteme sunt sistematizate în tabelul 1.2.
8

I. Stadiul actual al cercetărilor în domeniul sistemelor solar-termice
Tabelul 1.2 Sisteme de orientare bi-axială
Sistem Mişcare N-S (elevaţie) Mişcare E-V (diurnă)
Sistem ecuatorial Declinaţie (δ) Unghi orar (ω)
Sistem azimutal Unghi altitudinal (α) Unghi azimutal (ψ)
Sistem pseudo-ecuatorial Unghiul de elevaţie (γ) Unghiul diurn (β)
Sistem pseudo-azimutal Unghiul de elevaţie (ρ) Unghiul diurn (ε)
Eliminând una din mişcările sistemului (fie mişcarea de elevaţie, fie cea diurnă) sistemul
devine mono-axial. Mişcarea eliminată poate fi realizată cu ajustare manuală, folosind un unghi
optim lunar sau optim pentru perioada de interes. Principalul dezavantaj al utilizării colectoarelor
solar-termice prevăzute cu sisteme de orientare, constă din posibilitatea supraîncălzirii întregului
sistem. Agentul termic folosit în colectoarele solare nu trebuie să depăşească 100-120°C, în caz
contrar acesta pierzându-şi proprietăţile termice [92], [109].
Sistem de orientare pseudo-azimutal
Acest sistem realizează orientarea panourilor după aceleaşi unghiuri ca şi sistemul de
orientare azimutal diferenţa dintre acestea constând în faptul că, sistemul pseudo-azimutal asigură
mişcarea diurnă după o axă orizontală. În fig. 1.11 este prezentat sistemul de orientare pseudoazimutal
şi unghiurile care descriu mişcarea diurnă (ε) şi mişcarea de elevaţie (ρ) pentru raza solară,
respectiv ε* şi ρ* pentru planul colectorului solar.
Fig. 1.11 Sistem de orientare pseudo-azimutal
Pentru sistemul de orientare pseudo-azimutal, relaţia unghiului de incidenţă este [58]:
*
*
*
cos( ν ) = cos(
ρ)
⋅ cos(
ρ ) ⋅ cos(
ε − ε ) + sin(
ρ)
⋅ sin(
ρ ) . (1.11)
Pentru orientarea platformelor mici şi medii se recomandă folosirea sistemelor de orientare
ecuatoriale sau pseudo-ecuatoriale, iar pentru orientarea platformelor de dimensiunii medii şi mari
sistemele azimutale şi pseudo-azimutale.
Principalele avantaje ale sistemelor de orientare de tip pseudo-azimutal constau în:
Posibilitatea de implementare pentru orientarea platformelor medii şi mari;
Din punct de vedere constructiv aceste sisteme de orientare sunt mai simple decât sistemele
de orientare ecuatorială, fiind obţinute tehnologic mai uşor.
1.5 CONCLUZII
Implementarea sistemelor de energie regenerabilă în mediul construit a devenit o problemă
de interes global datorită epuizării resurselor de energie convenţională. În plus, utilizând sisteme de
energie regenerabilă se reduc efectele negative asupra mediului prin diminuarea emisiilor de gaze
cu efect de seră.
Analiza oportunităţii folosirii instalaţiilor solare de încălzire se face pe baza unor factori
precum: sarcina termică necesară, energia solară de care dispune locaţia unde se implementează,
capacitatea sursei auxiliare, costul investiţiei şi durata de recuperare a investiţiilor, etc. Energia
9

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
economisită într-o instalaţie solar-termică datorită folosirii energiei solare, comparativ cu o
instalaţie termică convenţională depinde atât de condiţiile climatice ale locaţie de amplasare şi de
schema instalaţiei adoptate, cât şi de tipul şi dimensiunile colectorului.
În literatura de specialitate s-au identificat o serie de soluţii constructive pentru orientarea
colectoarelor solare (atât cu orientare mono cât şi bi-axială) dar aceste soluţii prezintă o serie de
dezavantaje, dintre care menţionăm:
• dimensiuni mari;
• materiale şi/sau echipamente cu preţ ridicat;
• soluţii constructive şi tehnice complexe.
1.6 FORMULAREA OBIECTIVELOR TEZEI DE DOCTORAT
Având în vedere premisele actuale în care se realizează proiectarea sistemelor de orientare a
panourilor solare, această lucrare propune identificarea şi adoptarea unei soluţii care să conducă la
obţinerea celui mai bun raport între costuri, dimensiunile sistemului şi sarcina termică impusă.
Astfel, se doreşte dezvoltarea unui sistem de orientare care să facă posibilă atât maximizarea
eficienţei de captare a radiaţiei globale, atunci când sarcina termică este maximă, cât şi orientarea în
contra-fază, în cazul sarcinii termice nule. Aşadar la proiectarea sistemelor de orientare se
recomandă îndeplinirea următoarelor cerinţe:
Colectarea şi stocarea energiei solare să fie în raport cu sarcina termică dorită;
Energia solară să fie folosită cu prioritate;
Sursa de energie auxiliară să fie folosită doar ca sursă de energie complementară.
În acest context a fost formulat obiectivul general al prezentei teze de doctorat, adaptarea
sistemelor de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri, obiectiv a
cărui îndeplinire face necesară rezolvarea următoarelor obiective operaţionale:
Analiza parametrilor meteorologici care influenţează proiectarea unei instalaţii solare şi
conceperea unei baze de date meteo (care să conţină datele meteorologice cel puţin pe
perioada unui an) care să poată fi importată direct în soft-urile de simulare energetică;
Identificarea programelor de orientare a colectoarelor solar-termice, pentru diferite
regimuri de funcţionare ale acestora; se va avea în vedere atât maximizarea eficienţei de
captare a radiaţiei globale pe suprafaţa colectoarelor la funcţionarea în sarcină maximă,
cât şi adaptarea orientării acestora la funcţionarea în regim de sarcină nulă sau parţială;
Dezvoltarea unei soluţii constructive de sistem de orientare pseudo-azimutală a
colectoarelor solar-termice; se va urmării conceperea unei soluţii constructive şi
tehnologice de complexitate redusă care să permită realizarea programelor de orientare
concepute;
Realizarea şi implementarea unui colector prevăzut cu sistem de orientare pseudoazimutală
în instalaţia solar-termică experimentală a Departamentului Sisteme de Energii
Regenerabile şi Reciclare, în scopul validării rezultatelor teoretice.
10

CAPITOLUL II
SISTEMATIZAREA PARAMETRILOR OBIECTIVELOR DE
CERCETARE
2.1 ASPECTE GENERALE
O instalaţie solar-termică reprezintă un sistem complex compus dintr-o serie de sub-sisteme
inter-conectate, obiectivul final urmărit în dezvoltarea unor instalaţii care utilizează surse
regenerabile constând din reducerea consumului de energie în clădiri.
Modelul de analiză energetică a unei instalaţii solar-termice, propune abordarea singulară a
fiecărui sub-sistem în parte, ceea ce va permite în final, atât dezvoltarea într-o perioadă de timp mai
scurtă a unui astfel de sistem, dar şi optimizarea acestuia.
Principalele sub-sisteme ale unui sistem solar-termic hibrid sunt:
1. S1, reprezentat de o staţie meteorologică care să permită înregistrarea următorilor parametri
climatici: viteza şi direcţia vântului, temperatură, radiaţie disponibilă;
2. S2, sub-sistemul clădire, acesta fiind caracterizat de o serie de parametri de descriere fizică a
clădirii, respectiv arhitectură, amplasare, destinaţie, detalii constructive, gradul şi timpul de
ocupare; se menţionează însă că parametrii prezentaţi sunt influenţaţi şi de parametrii
climatici ai zonei, iar toate acestea reprezintă informaţii suficiente pentru un calcul de
previziune al consumului energetic;
3. S3, Sub-sistemul colector solar-termic poate fi constituit din colectoare fixe sau mobile; în
cazul în care acest sub-sistem constă din colectoare prevăzute cu sisteme de orientare,
funcţionarea corectă a acestora va fi influenţată de parametrii climatici, de sarcina termică a
instalaţiei, respectiv de valorile temperaturilor la ieşirea din colectoare, rezervoarele de
stocare şi din reţeaua de distribuţie;
4. S4, Sub-sistemul instalaţiei hidraulice (stocator, boiler preparare apă caldă menajeră,
distribuţie);
5. S5, Sub-sistemul sursă de energie auxiliară este necesar pentru zonele aflate în zone
geografice caracterizate de latitudini mari, pentru acoperirea necesarului termic pe
perioadele toamnă – iarnă – primăvară.
Toate aceste sub-sisteme sunt controlate de un grup de comandă şi control, iar în urma
monitorizării datelor specifice, acestea pot fi îmbunătăţite sau adaptate noilor cerinţe.
2.2 PARAMETRII CLIMATICI CARE INFLUENŢEAZĂ PROIECTAREA
INSTALAŢIILOR SOLAR-TERMICE. PARTICULARITĂŢI
CLIMATICE ŞI GEOGRAFICE ALE ZONEI BRAŞOV
În vederea proiectării sistemelor de conversie a energiei regenerabile (energie solară, energie
eoliană), Departamentul Sisteme de Energii Regenerabile şi Reciclare al Universităţii Transilvania
din Braşov utilizează pentru înregistrarea datelor meteorologice o staţie meteorologică automată
proprie, de tip Delta-T [7].
Zona urbană Braşov se găseşte în zona central-estică a României, la 25°36' longitudine
estică şi 45°39' latitudine nordică. Aflată în Depresiunea Braşovului, în curbura internă a Carpaţilor,
Braşovul are o altitudine de 790 m. Depresiunea Braşov, prin poziţia sa geografică, prezintă limite
naturale clare datorită masivelor muntoase ce închid depresiunea, ele fiind cele care amplifică sau
diminuează o serie de procese şi fenomene meteorologice din regiune.
Trăsăturile climatului sunt modificate datorită condiţiilor geografice, astfel încât depresiunea
este caracterizată de un climat cu variaţii mari, inversiuni termice frecvente, îngheţuri timpurii care
trec târziu, regim pluviometric continental şi regim eolian afectat de masivele muntoase ce închid
depresiunea [39]. Fenomenele climatologice specifice zonei urbane Braşov conduc la reducerea
cantităţii de energie solară, ceea ce face necesară şi justifică introducerea sistemelor de orientare a
11

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
colectoarelor solare în scopul maximizării radiaţiei solare captate de acestea [8], [9], [19], [50],
[52].
2.2.1 Temperatura mediului ambiant
În tabelul 2.1 sunt prezentate valorile lunare medii, minime şi maxime ale temperaturii
aerului, valori înregistrate de staţia meteo Delta-T, pe perioada 2006-2011. Zona urbană Braşov este
caracterizată de perioade lungi cu temperaturi scăzute (ierni prelungite) care necesită o perioadă
extinsă de încălzire a spaţiilor interioare (Septembrie - Martie).
Tabelul 2.1 Valori lunare medii, minime şi maxime ale temperaturii
pentru zona urbană Braşov
Luna Tmed [ o C] Tmin [ o C] Tmax [ o C]
Ianuarie -1,9 -20,03 16,47
Februarie 0,19 -14,4 15,72
Martie 4,46 -12,59 22,19
Aprilie 9,85 -1,49 23,6
Mai 14,72 0,48 30,15
Iunie 18,2 6,16 32,59
Iulie 20,07 9,2 35,85
August 19,8 8,13 34,13
Septembrie 14,81 4,05 31,68
Octombrie 9,15 -4,02 26,59
Noiembrie 3,71 -9,3 21,06
Decembrie -0,38 -14,76 20,62
2.2.2 Viteza vântului
Valorile medii lunare şi valorile maxime ale vitezei vântului, înregistrate pe întreaga perioadă
2006-2011, sunt prezentate în fig. 2.2. Din aceste diagrame se poate observa că potenţialul eolian al
zonei este limitat, mediile lunare ale vitezei vântului fiind de 1-2 m/s [10], [11], [16], [49]. Viteza şi
direcţia vântului au influenţe considerabile asupra sistemelor de orientare.
Un vânt puternic care acţionează asupra colectorului şi structurii de susţinere, poate duce la
răsturnarea şi scoaterea din funcţiune a întregului sistem. În aceste condiţii, înainte de adoptarea
soluţiei constructive decisive, este necesară efectuarea calculelor aprofundate de rezistenţă care să ţină
cont de valorile vitezei vântului în zona de implementare a sistemelor de orientare.
30
25
20
15
10
5
0
[m/s] 2006-2011
Ian. Feb. Mar. Apr. Mai Iun. Iul. Aug. Sept. Oct. Nov. Dec.
Vit_v_med Vit_v_max
Fig. 2.2 Valorile lunare medii şi maximele vitezei vântului calculat pentru întreaga perioadă 2006-
2011
12

II. Sistematizarea parametrilor obiectivelor de cercetare
2.2.3 Modelarea radiaţiei solare
Estimarea radiaţiei solare pe un plan orizontal
În această lucrare, toate simulările propuse (care au necesitat informaţii referitoare la radiaţia
solară) s-au realizat pe baza datelor meteorologice reale, înregistrate cu ajutorul staţiei meteo Delta-
T. se constată că pentru zona Braşov, radiaţia difuză reprezintă, în medie, aproximativ 55 % din
radiaţia globală (fig. 2.6). Acest fapt se datorează acumulării de poluanţi din aer, care reduc
cantitatea de radiaţie directă care traversează atmosfera.
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
65 64 44 41 42 38 37 27 32 36 43 65
35 36 56 59 58 62 63 73 68 64 57 35
Ian. Feb. Mar. Apr. Mai Iun. Iul. Aug. Sep. Oct. Noi. Dec.
Rdir_h Rdif_h
Fig. 2.6 Distribuţia procentuală a radiaţiei directe şi difuze
Radiaţia solară pe suprafeţe fixe orientate Sud
Pentru zonele aflate în emisfera nordică se recomandă o orientare spre Sud a suprafeţei
captatoare (pentru emisfera sudică, orientarea se realizează spre Nord), unghiul optim de înclinare
depinzând de latitudinea zonei în care se vor instala colectoarele [51].
Pentru a calcula valoarea radiaţiei directe pe planul colectorului se foloseşte relaţia [3]:
cos(
θ)
R dir _ τ = R dir _ h , (2.2)
cos(
θz
)
unde: θ reprezintă unghiul de incidenţă a razei solare pe suprafaţa considerată; pentru
suprafeţe orizontale θz=θ.
Calculul celor două unghiuri de incidenţă se realizează cu următoarele relaţii [3]:
cos θ = cos( ϕ − τ)
⋅ cos δ ⋅ cos ω + sin ϕ − τ ⋅ sin δ , (2.3)
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( θ ) = cos( ϕ)
⋅ cos(
δ)
⋅ cos(
ω)
+ sin(
ϕ)
⋅ sin(
δ)
cos z , (2.4)
unde: φ – reprezintă latitudinea locaţiei de implementare;
τ – unghiul de înclinare dintre suprafaţa colectorului şi orizontală;
δ – reprezintă unghiul de declinaţie.
Pentru estimarea radiaţiei difuze pe o suprafaţă înclinată se foloseşte următoarea expresie
[3]:
1
R dif _ τ = ( 1 + cos(
τ)
) R dif . (2.5)
_ h
2
Totuşi trebuie menţionat că, în funcţie de necesităţile lunare de captare a energiei solare,
specifice fiecărei clădiri, unghiul de elevaţie se poate alege astfel încât să se realizeze maximizarea
eficienţei de captare pentru lunile de interes.
În acest sens, în fig. 2.8,a sunt prezentate valorile lunare ale unghiurilor de elevaţie pentru
care eficienţa de captare a radiaţiei globale este maximă. Se remarcă însă faptul că, valori apropiate
ale eficienţei lunare de captare a radiaţiei solare (încadrate într-un domeniu mai mic de 1%) se obţin
pentru valori ale unghiului de elevaţie aflate în domenii – uneori relativ mari – de valori (fig. 2.8,b).
13

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
Aşadar în funcţie de posibilităţile constructive pe care le oferă soluţia mecanismului de
orientare adoptat, şi în funcţie de perioadele de interes în care se doreşte funcţionarea colectorului în
regim de sarcină maximă, proiectantul are posibilitatea alegerii unei valori convenabile pentru
unghiul de elevaţie.
120%
100%
80%
60%
40%
20%
0%
92% 94%
84% 81% 82% 79% 80%
14
72%
Unghi de elevatie [°]
78% 82%
89%
52 42 38 22 9 9 9 20 38 50 60 56
96%
Ian. Feb. Mar. Apr. Mai Jun. Jul. Aug. Sep. Oct. Nov. Dec.
Eficienta globala Elevatie (Eficienta maxima)
a) Valorile lunare ale unghiurilor de elevaţie pentru care se obţin eficienţele maxime lunare de
captare a radiaţiei globale
70
60
50
40
30
20
10
0
Unghi de elevatie [°]
62
44
52
42
36 36
32
20
15
9 9
18 18
Ian. Feb. Mar. Apr. Mai Jun. Jul. Aug. Sep. Oct. Nov. Dec.
Elevatie_max Elevatie_min Elevatie (Eficienta maxima)
b) Domeniu lunar de valori ale unghiului de elevaţie pentru care se obţin valori maxime ale
eficienţei de captare a energiei globale
Fig. 2.8 Valorile lunare ale unghiului de elevaţie şi eficienţa lunară de captare a energiei globale
Radiaţia solară pe suprafeţe cu orientare diurnă. Sistem de orientare pseudoecuatorial
vs. Sistem de orientare pseudo-azimutal
Sistemul de orientare pseudo-ecuatorial poziţionează panourile după unghiul de elevaţie γ şi
după unghiul diurn β, iar sistemul de orientare pseudo-azimutal după unghiul azimutal ε (mişcarea
diurnă) şi unghiul altitudinal ρ (mişcarea de elevaţie) (vezi Capitol I teză).
Unul dintre criteriile care au stat la baza adoptării tipului de sistem de orientare a
colectoarelor solar-termice, este cel al eficienţei anuale maxime. În acest sens, în fig. 2.9 sunt
prezentate diagramele de variaţie a eficienţei anuale de captare a radiaţiei solare globale, pentru
suprafeţe cu orientare pseudo-ecuatorială şi pseudo-azimutală; aceste diagrame au fost trasate în
condiţiile unui singur sezon de orientare, dar folosind curse unghiulare diurne de 120° şi 180°.
Se remarcă faptul că, eficienţa de captare a radiaţiei globale este maximă pentru valori ale
unghiului de elevaţie de circa 21° în cazul sistemului pseudo-azimutal şi 28° în cazul sistemului
pseudo-ecuatorial, atât pentru cursa diurnă de 120° cât şi pentru cursa maximă de 180°.
9
30
20
42
34
60
44
66
54
62
50
70
60
50
40
30
20
10
0

96%
94%
92%
90%
88%
86%
84%
82%
Eficienta anuala
II. Sistematizarea parametrilor obiectivelor de cercetare
80%
Unghi de elevatie [°]
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54
Ef_g_1sez_Δε*=120_Paz Ef_g_1 sez_Δβ*=120_Pec
96%
94%
92%
90%
88%
86%
84%
82%
Eficienta anuala
a) cursă unghiulară diurnă, Δ=120°
80%
Unghi de elevatie [°]
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54
Ef_g_1 sez_Δε*=180_Paz Ef_g_1 sez_Δβ*=180_Pec
b) cursă unghiulară diurnă, Δ=180°
Fig. 2.9 Eficienta anuală de captare a radiaţiei globale
În urma analizei valorilor obţinute ale eficienţelor de captare a radiaţiei globale se constată
că sistemele de orientare pseudo-azimutală au o eficienţă mai ridicată decât cele cu orientare
pseudo-ecuatorială, motiv care le recomandă pentru orientarea colectoarelor solar-termice.
2.3 DEZVOLTAREA UNEI BAZE DE DATE CLIMATICE. APLICAŢIE
PENTRU ZONA BRAŞOV
Atât calculul eficienţelor de captare a radiaţiei solare cât şi simularea energetică a clădirii ce
constituie subiectul studiilor de caz, necesită informaţii referitoare la datele climatice (valori ale
temperaturii exterioare, vitezei vântului şi radiaţiei solare directe şi difuze). Având în vedere acest
aspect, lucrarea de faţă utilizează date reale furnizate de staţia meteo Delta-T. În acest sens, cu
ajutorul soft-ului Visual FoxPro [18] a fost realizat un fişier tipizat, în vederea implementării de
date meteo reale în programul de simulare TRNSYS (vezi Anexa I).
Soft-ul TRNSYS permite introducerea unui fişier de date meteo personalizat prin
intermediul subrutinei Type99-TMY2-Weather. Această subrutină citeşte datele conţinute de
fişierul meteo şi le procesează în funcţie de aplicaţiile dorite. Fişierul poate fi convertit în fişiere
compatibile şi cu alte soft-uri de simulare energetică [30].
15

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
2.4 DETERMINAREA SARCINII TERMICE A UNEI CLĂDIRI PRIN
METODE DINAMICE AVANSATE
O modalitate eficientă de proiectare a sistemelor HVAC (Heating, Ventilation and Air
Conditioning) care să conducă la un optim din punct de vedere al consumului de energie, al vârfului
de sarcină şi al altor constrângeri practice este aceea de a studia comportamentul termic al clădirii
folosind simulări cât mai corecte. Folosirea simulărilor computerizate face posibilă evaluarea
gradului de utilizare a energiei din reţea pentru diversele alternative de proiectare, acestea fiind
astăzi cele mai populare şi flexibile metode de analiză a consumului energetic al clădirilor [67]. Faţă
de metodele clasice de calcul al consumului de energie, soft-urile de simulare se dovedesc a fi
instrumentele de calcul cele mai precise, datorită simulării dinamice la intervale scurte de timp (de
ex: 0,125h). Metoda clasică de calcul a necesarului de energie termică [75], [76], [77], presupune un
calcul bazat pe valori medii lunare, care introduce aproximaţii şi generează supra-evaluarea
necesarului de energie pentru încălzire şi răcire.
Clădirea care face obiectul studiilor de caz ale acestei teze de doctorat este Căsuţa Solară a
Departamentului Sisteme de Energii Regenerabile şi Reciclare.
2.4.1 Soft-ul TRNSYS
TRNSYS (TRaNsient System Simulation - Program de Simulare a Sistemelor Tranzitorii) este
un program de simulare energetică bazat pe metoda sistemelor modulare, acesta reprezentând una
dintre cele mai flexibile unelte disponibile [30]. Dezvoltat de Universitatea Wisconsin – Madison,
disponibil încă din 1975, soft-ul include o interfaţă grafică (TRNSYS Simulation Studio), cu ajutorul
căreia se creează simularea, o interfaţă pentru clădiri simple sau compuse din mai multe zone
(TRNBuild), un motor de simulare (TRNDLL.dll), executabilul (TRNEXE.exe), o bibliotecă de
componente care conţine diferite modele de clădiri şi echipamente HVAC şi un program pentru
editarea manuală a datelor de intrare şi realizarea de aplicaţii personalizate (TRNEdit) [30].
Toate simulările se vor realiza pentru condiţiile meteorologice ale zonei Braşov, folosind
componenta Type 99, care permite introducerea unui fişier de date meteo personalizat. Această
componentă citeşte datele furnizate la intervale regulate de timp.
2.4.2 Modelul termic al clădirii
Căsuţa Solară a Departamentului Sisteme de Energii Regenerabile şi Reciclare constituie
subiectul aplicaţiei de testare în mediu real a sistemului pseudo-azimutal (condiţii meteo specifice
zonei urbane Braşov) implementat în instalaţia solar-termică experimentală; Căsuţa Solară este o
clădire nouă, construită între anii 2005-2007, situată în campusul Colină, al Universităţii
Transilvania din Braşov. Clădirea a fost concepută pentru a studia soluţii viabile de realizare a
mediului interior confortabil şi sănătos, utilizând surse de energie regenerabilă şi vizând o
autonomie energetică ridicată [53], [54].
Forma arhitecturală optimizată permite o circulaţie naturală a aerului între cele două etaje,
acestea beneficiind din plin de ventilaţia naturală. Pardoseala radiantă asigură confortul termic al
clădirii.
Modelul geometric
Pentru a crea modelul 3D al clădirii, aceasta a fost împărţită în 6 zone, fiecare zonă având un
regim termic diferit şi anume:
Zona I: Intrare;
Zona II: Birou;
Zona III: Baie;
16
Zona IV: Hol Mic;
Zona V: Casa Scării;
Zona VI: Etaj
Această delimitare a fost necesară pentru un calcul de transfer termic cât mai corect şi pentru
a simula dinamic fluxul de energie.
Modelul 3D al clădirii este prezentat în fig. 2.13. Clădirea a fost construită la scară reală iar
fiecare suprafaţă a fost modelată conform tipului caracteristic: fereastră, uşă, perete adiacent, tavan,

II. Sistematizarea parametrilor obiectivelor de cercetare
pardoseală, etc. Astfel fişierul de date ataşat va conţine date precise referitoare la suprafaţa de
pardoseală, procentul de fenestraţie, etc., pentru fiecare zonă în parte.
Fig. 2.13 Modelul 3D al clădirii (Google SketchUp – Trnsys3D)
Modelul arhitectural
Odată construit modelul 3D al clădirii, acesta poate fi importat în mediul de simulare
Simulation Studio (fig. 2.15), unde s-au creat legăturile cu componentele de date meteo şi s-au
stabilit datele de ieşire dorite pentru vizualizarea grafică sau exportul în fişiere de date care să
permită prelucrări ulterioare [31].
Fig. 2.15 Interfaţa Simulation Studio- Implementarea modelului Căsuţei Solare în mediul de
simulare
În modulul TRNBuild au fost completate informaţiile despre clădire cu date referitoare la
materialele care compun structura pereţilor, grosimile elementelor de construcţie, coeficienţi de
transfer termic, coeficienţi de conductivitate termică, etc.
Modulul TRNBuild a permis, de asemenea, stabilirea gradului de ocupare al clădirii prin
intermediul unui program de funcţionare al acesteia, respectiv de Luni până Vineri între orele 7 30 -
19 30 . Pentru fiecare zonă în parte se poate stabili un regim separat de ocupare, un program de
încălzire şi răcire având temperaturi diferite, etc. În cazul de faţă a fost considerat acelaşi program şi
pentru echipamentele electronice din clădire (PC, laptop, imprimantă, etc.).
2.4.3 Determinarea necesarului de energie termică
După stabilirea unui grad de ocupare şi a unui program de funcţionare al clădirii, s-au
simulat o serie de programe de încălzire şi răcire, iar în urma analizei variaţiei parametrilor de
17

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
confort termic PMV şi PPD, s-au stabilit cele mai eficiente programe de încălzire şi răcire în
condiţiile unui necesar de căldură optimizat (confort maxim obţinut cu consum minim).
Determinarea necesarului de energie pentru încălzire
Datorită flexibilităţii soft-ului TRNSYS, s-au putut analiza programe de încălzire diferite,
pentru a stabili un program optim de încălzire, ţinând cont de comportamentul termic al clădirii.
Urmărind variaţia parametrilor de confort termic PMV şi PPD pe durata întregii perioade de
simulare (1 an, respectiv 8760 ore), temperatura optimă de încălzire a fost stabilită la 21°C pe
durata programului de lucru, iar pentru perioadele de noapte, sâmbătă şi duminică, temperatura a
fost setată la 18°C (programul 18-21). Acest program de încălzire a condus şi la o scădere a
consumului de energie, faţa de un program cu temperatură constantă de 21°C (programul 21).
În fig. 2.19 sunt prezentate valorile lunare şi anuale ale necesarului de energie pentru
încălzirea clădirii studiate, folosind cele 2 programe diferite de încălzire. Pentru programul 18-21 a
rezultat un total de energie de 18588 kWh/an, respectiv 71 kWh/m 2 /an iar pentru programul 21,
un total de 23070 kWh/an, respectiv 89 kWh/m 2 /an. De asemenea, se observă existenţa unui
necesar de încălzire, chiar şi în perioada de vară. Acest necesar se datorează zilelor în care se
înregistrează temperaturi exterioare scăzute (chiar sub 10°C), zile care fac excepţia unei zile
tradiţionale de vară.
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
[kWh]
4409
5104
3602
4215
1183
1707
1179
913
564
84
226
31 108 15 64 18 78 54
172
18
3332
1714
[kWh/m
95
89
85
4801
71 75
3970
4115 65
2an] Ian. Feb. Mar. Apr. Mai Iun. Iul. Aug. Sept. Oct. Nov. Dec.
Qheat_18-21 Qheat_21 Qheat_18-21_kWh/m²an Qheat_21_kWh/m²an
Fig. 2.19 Necesarul de energie pentru încălzirea clădirii
Determinarea necesarului de energie pentru prepararea apei calde
Necesarul specific de apă rece şi apă caldă menajeră a fost determinat utilizând STAS 1478-
90, în funcţie de destinaţia clădirii (tabelul 2.5) [82]. Întrucât clădirea este o clădire de birouri,
necesarul de apă caldă este redus, în total 840 de litri din care 210 de litri de apă caldă la
temperatura de 60°C.
14
12
10
8
6
4
2
[Litri/ora]
0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Timpul zilei [h]
Fig. 2.24 Distribuţia zilnică a consumului de apă caldă menajeră
55
45
35
25
15
5
-5

2.5 CONCLUZII ŞI CONTRIBUŢII ORIGINALE
II. Sistematizarea parametrilor obiectivelor de cercetare
Acest capitol a avut ca scop descrierea cadrului general de aspecte care au condus la
formularea obiectivului principal al acestei lucrări: adaptarea sistemelor de orientare a colectoarelor
solar-termice la necesarul termic al unei clădiri.
În acest sens s-au prezentat principalele sub-sisteme ale unei instalaţii solar-termice hibride
şi s-au sistematizat principalii parametri ai acestora. De asemenea s-au analizat posibilităţile de
eficientizare şi optimizare a sub-sistemului colector solar-termic, sub-sistem care reprezintă
obiectivul principal al acestei lucrări. Astfel, se pot evidenţia următoarele concluzii:
Media vitezei vântului pentru zona urbană Braşov nu depăşeşte 2 m/s, dar s-au înregistrat şi
maxime de 25 m/s; având în vederea valorile maxime înregistrate ale vitezei vântului se
recomandă ca la realizarea calculului de rezistentă al sistemului de orientare a colectorului
solar, sarcina exterioară datorată vântului, calculată pentru condiţii statice, să se realizeze
pentru o valoare a vitezei vântului de 30 m/s;
Eficienţa anuală de captare a radiaţiei globale poate ajunge la valoarea de 95.6% în cazul
folosirii sistemelor de orientare de tip pseudo-azimutal şi la 91% în cazul folosirii celor de
tip pseudo-ecuatorial;
În zona urbană Braşov, procentul de radiaţie difuză reprezintă, în medie, aproximativ 55%
din radiaţia globală pe o suprafaţă orizontală;
Folosirea programelor de simulare energetică, încă din faza de proiectare a instalaţiilor
solar-termice conduce la posibilitatea identificării soluţiilor optime atât din punct de vedere
al consumului energetic dar şi al parametrilor de confort. De asemenea, folosirea simulărilor
computerizate permite simularea diverselor scenarii de consum energetic şi conduce la
scăderea duratei de timp necesar proiectării instalaţiilor solar-termice;
Cu ajutorul instrumentelor computerizate se pot evalua diferite opţiuni de economisire a
energiei înainte de a decide implementarea uneia dintre ele; simularea energetică reprezintă
un instrument util pentru o mai bună înţelegere a comportamentului clădirii;
Utilizarea soft-urilor specializate de simulare energetică a clădirilor (TRNSYS) face posibil
un calcul corect al necesarului energetic; se are în vedere faptul că metodele clasice de
calcul al necesarului de încălzire folosesc temperaturi medii constante mult sub valorile
reale înregistrate şi pentru o durată mare de timp, ceea ce conduce la o supra-dimensionare a
instalaţiilor solar-termice.
Principalele contribuţii originale rezultate din acest capitol sunt:
Stabilirea unghiurilor de elevaţie optime anuale pentru colectoarele solar-termice, fixe
orientate spre Sud şi a celor cu orientare diurnă, în scopul maximizării răspunsului
energetic pe suprafeţele acestora;
Determinarea unghiului de elevaţie optim lunar pentru colectoarele fixe orientate spre
Sud, având în vedere maximizarea valorii lunare a radiaţiei globale captate;
Identificarea tipului de sistem de orientare diurnă care are cea mai mare eficienţă anuală
de captare a radiaţiei globale. Astfel, pentru orientarea colectoarelor solar-termice se
recomandă folosirea sistemelor pseudo-azimutale, care pe lângă avantajul eficienţei de
orientare superioare celei oferite de sistemele de orientare pseudo-ecuatorială oferă şi
avantajele unei soluţii constructive mai simple;
Conceperea unei baze de date meteo pentru zona Braşov şi implementarea acesteia întrun
soft specializat de simulare energetică (TRNSYS);
Dezvoltarea unui program de simulare energetică a clădirilor; programul este conceput
sub forma unei structuri flexibile care să permită simularea dinamică pentru orice
clădire, respectiv implementarea datelor meteo pentru orice zonă dorită.
19

CAPITOLUL III
STABILIREA PROGRAMELOR OPTIME DE ORIENTARE A
SISTEMELOR CU ORIENTARE CONTROLATĂ ÎN RAPORT CU
SARCINA TERMICĂ IMPUSĂ
3.1 CONTROLUL SISTEMULUI DE ORIENTARE
Energia utilă care poate fi furnizată de un colector solar-termic depinde de mai mulţi factori,
cei mai reprezentativi dintre aceştia fiind:
caracteristicile zonei geografice de amplasare (energia solară globală disponibilă în zona de
amplasare a colectoarelor, condiţii meteo);
tipul şi construcţia panoului solar;
unghiul de înclinare al colectorului faţă de planul orizontal [12];
orientarea planului colectorului faţă de direcţia Sud (unghiul azimutal);
dimensionarea componentelor instalaţiei solare.
3.2 PARAMETRI PROGRAMULUI DE ORIENTARE
Împărţirea anului în sezoane s-a realizat pe baza diagramei de variaţie anuală a unghiului de
elevaţie ρ; astfel, s-au considerat sezoane centrate pe cele două zile reprezentând echinocţiile de
primăvară şi toamnă, pentru care δ=0° (respectiv ρ=λ=45.65°), în jurul acestora adoptându-se câte
un anumit număr de zile, pentru care elevaţia colectorului solar-termic va rămâne constantă (egală
cu valoarea elevaţiei calculată pentru ziua din centrul sezonului, respectiv ziua aflată pe curba
unghiului de elevaţie ρ). Figura 3.2 prezintă împărţirea anului în 1, 4 şi 8 sezoane.
70
65
60
55
50
45
ρ*[°]
N=27; ρ*=64.35°
N=37; ρ*=61.545°
N=56;ρ*=54.865°
N=80;
ρ*=l=45.65°
20
N=316;
ρ*=64.265°
N=306; ρ*=61.64°
N=263;
ρ*=l=45.65°
N=286; ρ*=54.88°
40
N=105; ρ*=36,11° N=238; ρ*=36.29°
35
30
N=115; ρ*=32.36° N=228; ρ*=32.36°
25
20
N=123; ρ*=29.78°
N=135; ρ*=26.63°
N=219; ρ*=29.78°
N=207; ρ*=26.63°
[N]
1 27 53 79 105 131 157 183 209 235 261 287 313 339 365
ρ 1 sezon 4 sezoane 8 sezoane
Fig. 3.2 Divizarea programului de orientare în intervale anuale prin aproximarea variaţiei
unghiului de elevaţie ρ, cu o variaţie în trepte a acestuia, ρ*
În urma divizării anului, pentru fiecare sezon obţinut s-au reprezentat curbele de variaţie ale
unghiului diurn ε, în funcţie de timpul solar, atât pentru zilele care delimitează sezonul dar şi pentru
ziua reprezentativă a acestuia. Peste diagramele rezultate, s-au suprapus diagramele de variaţie orară
în paşi a unghiului de orientarea ε* al colectorului solar (trasate pentru ziua reprezentativă a
sezonului), astfel încât acesta să aproximeze cât mai fidel variaţia reală a unghiului solar ε. În acest
sens, fig. 3.3 prezintă variaţia unghiurilor ε şi ε* pentru 1 sezon.

III. Stabilirea programelor optime de orientare a sistemelor cu orientare controlată în raport cu …
100
80
60
40
20
0
ε; ε* [°]
60
90
82
72
48
33
-20
-16
-40
-33
-60
-48
-60
-80
-100
-72
-82
-90
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
ε_N=80 ε_N=115 ε_N=172 Δε*_180 (N=115) Δε*_120 (N=115)
Fig. 3.3 Variaţia unghiurilor de orientare ε (pentru N=80, 115, 172) şi ε* (pentru N=115),
considerând 2 curse unghiulare diurne Δε*=180° şi Δε*=120 o – 1 sezon de orientare
3.3 DETERMINAREA PROGRAMULUI DE ORIENTARE OPTIM ÎN
CONDIŢII DE SARCINĂ TERMICĂ MAXIMĂ
După identificarea principalilor parametri ai programului de orientare, următoarea etapă
propune calculul eficienţelor anuale de captare a radiaţiei globale în funcţie de aceşti parametri. Se
menţionează faptul că, eficienţele anuale au fost calculate pe baza datelor reale înregistrate cu
ajutorul staţiei meteo Delta-T. Având în vedere faptul că, valorile înregistrate la staţia meteo sunt
valori ale radiaţiei solare pe un plan orizontal, valorile radiaţiilor pe planul colectorului se
calculează cu relaţiile [58]:
cos ρ cos ρ * cos ε − ε * + sin ρ * sin ρ *
R
dir _ Paz
( ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) )
cos(
θ )
z
21
16
0
= R , (3.1)
1
R dif _ Paz = ( 1 + cos(
ρ * ) cos(
ε * ) ) R dif _ h , (3.2)
2
Determinarea unghiului de elevaţie optim anual pentru un colector fix orientat spre Sud –
Calculul eficienţelor anuale pentru 1 sezon de orientare şi cursă diurnă Δε*=0 o
În prima etapă se propune determinarea unghiului de elevaţie optim anual al unui colector
solar-termic fix, orientat spre Sud.
80%
78%
75%
73%
70%
68%
65%
63%
28°; 78%
36°; 67%
dir _ h
60%
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68
Ef_dir Ef_g Unghi de elevatie [°]
[TS]
Eficienta anuala
Fig. 3.7 Eficienţa anuală de captare a radiaţiei globale şi a radiaţiei directe pentru CST fix
În urma calculului eficienţei anuale de captare a radiaţiei globale pentru un colector solartermic
fix, pentru diferite valori ale unghiului de elevaţie (fig. 3.7), se poate observa că eficienţa
anuală maximă se obţine pentru un unghi de elevaţie de 28°, valoarea acesteia fiind de aproximativ
78%. Se remarcă faptul că, eficienţa de captare maximă în cazul radiaţiei directe se obţine pentru

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
valori ale unghiului de elevaţie de ≈36°.
Determinarea unghiului de elevaţie optim anual – Calculul eficienţelor anuale de
captare a radiaţiei solare pentru un colector cu orientare diurnă având 1 sezon de orientare şi
cursă diurnă Δε*=180°
În cazul orientării diurne a colectorului solar-termic, folosind acelaşi program pe parcursul
unui an (1 sezon), un pas de orientare diurnă de 60 min şi o cursă diurnă Δε*=180°, unghiul de
elevaţie optim anual este situat în jurul valorii de 21 o (fig. 3.8).
98%
94%
90%
86%
82%
78%
74%
ρ=21°; 95.6%
ρ=28°; 77.9%
70%
18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54
Δε*=180° Δε*=0°
Unghi de elevatie [°]
22
Eficienta anuala
Fig. 3.8 Eficienţa anuală de captare a radiaţiei globale pentru Δε*=0° şi Δε*=180°
Se remarcă faptul că, valorile unghiului de elevaţie optim anual pentru cele două valori ale
cursei diurne (Δε*=0° respectiv Δε*=180°) sunt diferite. În plus, diferenţa între valorile
eficienţelor anuale de captare a radiaţiei globale, se poate spune că este relativ mare, respectiv de
21%, ceea ce conduce la justificarea orientării colectoarelor solar-termice.
Determinarea numărului de sezoane de orientare – Calculul eficienţei anuale de captare
a radiaţiei solare pentru un colector având elevaţie 21°, cursa diurnă Δε*=180 ° , pentru 1
sezon, 4 sezoane şi 8 sezoane de orientare
În acest sens, în fig. 3.9 sunt prezentate diagramele eficienţelor anuale de captare a radiaţiei
globale şi directe şi răspunsul energetic al radiaţiei difuze, în funcţie de unghiul de elevaţie al
colectorului solar-termic, pentru o cursă diurnă a acestuia de 180°.
96.0%
95.0%
94.0%
93.0%
92.0%
91.0%
90.0%
Eficienta anuala globala
95.6% 95.6%
95.9%
ρ*[°]
89.0%
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30
Ef_g_1 sez. Ef_g_4 sez. Ef_g_8 sez.
a) Variaţia eficienţei anuale de captare a radiaţiei globale
Fig. 3.9 Eficienţa anuală de captare a radiaţiei globale, directe şi difuze
Eficienţa anuală maximă de captare a radiaţiei globale se obţine pentru situaţia în care
mecanismul de orientare foloseşte un program de orientare cu 8 sezoane de orientare; cu toate acestea
creşterea de eficienţă este de doar 0.3% comparativ cu folosirea unui program de orientare constând
dintr-un singur sezon de orientare; având în vedere acest aspect se poate recomanda folosirea unui
program de orientare cu 1 sezon, deoarece creşterea eficienţei cu 0,3% nu justifică gradul ridicat de

III. Stabilirea programelor optime de orientare a sistemelor cu orientare controlată în raport cu …
complexitate al programului de orientare cu 8 sezoane.
Determinarea cursei diurne optime – Calculul eficienţelor anuale de captare a radiaţiei
solare pentru un colector cu orientare diurnă după un program având 1 sezon de orientare,
elevaţia 21° şi cursă diurnă variabilă Δε*=0°…180°
În această etapă, din analiza diagramelor precedente, se pot adopta ca parametri ai
programului de orientare: unghiul de elevaţie optim anual de 21 o şi utilizarea unui singur sezon de
orientare. Folosind aceşti parametri, se vor calcula eficienţele anuale de captare a energie solare
pentru diferite valori ale cursei diurne Δε* (0°, 30°, 60°, 90°, 120°, 150°, 180°), fig. 3.10.
100%
95%
90%
85%
80%
75%
Eficienta anuala
23
Δε*=120°;
95.57%
Δε*=180°;
95.60%
Δε* [°]
70%
0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180
Ef_g Ef_dir
Fig. 3.10 Eficienţa anuală de captare – stabilirea cursei mecanismului de orientare
Din analiza fig. 3.10 se poate observa că, o creştere a cursei unghiulare diurne peste 120°,
nu conduce la o creştere semnificativă a eficienţei anuale de captare a radiaţiei globale
(aproximativ cu 0.1% pentru o cursă diurnă de Δε*=180°).
Determinarea pasului de orientare optim – Calculul eficienţelor anuale pentru un
colector cu orientare diurnă după un program având 1 sezon de orientare, elevaţia 21° şi
cursă diurnă Δε*=120°
Considerând pentru parametri programului de orientare valorile optime obţinute la etapele
precedente, se vor calcula eficienţele anuale pentru diferite valori ale pasului de orientare (30, 60 şi
90 min). Astfel, în urma analizei diagramelor prezentate în fig. 3.11 se remarcă faptul că, utilizarea
unui program de orientare cu un pas cât mai mic conduce la o creştere a eficienţelor anuale de
captare a radiaţiei globale şi directe.
97%
96%
95%
94%
93%
92%
Eficienta anuala
95.70% 95.60%
91.90%
91.80%
95.30%
91.60%
91%
30 40 50 60
Ef_dir
70
Ef_g
80 90
[min]
Fig. 3.11 Variaţia eficienţei anuale de captare a radiaţiei solare în funcţie de durata unui pas,
elevaţie ρ*=21°, cursa diurnă ∆ε* = 120°, program de orientare după 1 sezon
Având în vedere aspectele prezentate mai sus, se va adopta ca mărime a pasului de
orientare valoarea de 60 min, evitându-se în acest fel atât complicarea nejustificată a programului
de orientare cât şi creşterea consumului energetic pentru realizarea orientării.

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
3.4 DETERMINAREA PROGRAMULUI DE ORIENTARE OPTIM ÎN
CONDIŢII DE SARCINĂ TERMICĂ NULĂ
Orientarea colectoarelor în condiţii de sarcină nulă este necesară în special pentru instalaţiile
folosite în cadrul clădirilor de birouri, teatre, şcoli, etc., în care gradul şi timpul de ocupare nu este
constant, pe durata unui an existând perioade în care nu există consum (de exemplu, perioadele de
vacanţă, week-end, etc.). În aceste codiţii, pentru a proteja instalaţia de supra-încălzire se
recomandă orientarea colectoarelor în contra-fază, astfel încât să se evite expunerea suprafeţei
colectoare la radiaţia solară. Pentru realizarea orientării în contra-fază, colectorul solar-termic va
executa o mişcare în doi paşi, având o cursă unghiulară diurnă Δε*=180°. Astfel, pe perioada
dimineţii, până la ora 12 solar, colectorul va fi orientat spre Vest (ε*=-90°) iar după-amiaza, după
ora 12 solar, acesta va fi orientat spre Est (ε*=90°). În acest sens în fig. 3.13, este prezentată variaţia
radiaţiei globale maxime ce poate fi captată de un colector cu orientare în paşi (cursă diurnă
Δε*=120°), radiaţia globală captată de colectorul orientat după un program corespunzător contrafazei
(cursă diurnă Δε*=180 o ) şi unghiurile diurne ale razei solare ε, respectiv ale colectorului
(pentru funcţionarea instalaţiei în sarcină maximă ε*_Δε*=120°_s_max şi nulă ε*_
Δε*=180°_s_nul).
1200
1000
800
600
400
200
[W/m 2 ]
01 Iulie 2012
-60
0
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 -80
[TS]
-200
-100
Rg_s_max Rg_s_nul ε ε*_Δε*=120°_s_max ε*_Δε*=180°_s_nul
24
ε; ε*[°]
Fig. 3.13 Program de orientare in contra-fază pentru o zi în care sarcina termică este nulă
În fig. 3.14 se propune analiza variaţiei temperaturii la ieşirea din colector, considerând că
acesta îşi menţine orientarea în paşi după un program de funcţionare în sarcina maximă, respectiv
după un program de orientare în contra-fază (sarcină nulă).
80
70
60
50
40
[°C]
01 Iulie 2012
30
20
-20
-40
-60
10
-80
0
[TS]
-100
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
T_out_s_max_2.53m² T_out_s_nul_2.53m²
ε*_Δε*=120°_s_max ε*_Δε*=180°_s_nul
a) Temperatura apei la ieşirea din colector – 1 colector solar-termic (2.53 m 2 )
Fig. 3.14 Temperatura apei la ieşirea din colector considerând 2 cazuri de orientare (orientare
pentru sarcină maximă şi orientare pentru sarcină nulă)
ε*[°]
0
100
80
60
40
20
0
-20
-40
100
80
60
40
20

III. Stabilirea programelor optime de orientare a sistemelor cu orientare controlată în raport cu …
3.5 DETERMINAREA PROGRAMULUI DE ORIENTARE OPTIM ÎN
CONDIŢII DE SARCINĂ TERMICĂ PARŢIALĂ
Orientarea colectoarelor în condiţii de sarcină parţială se realizează în cazul în care se
întâlneşte una din următoarele 2 situaţii:
Situaţia 1: radiaţia difuză reprezintă peste 50% din radiaţia globală (Rdif_h>Rdir_h);
Situaţia 2: temperatura apei a atins temperatura dorită (60ºC).
Situaţia 1: Aşadar, prima situaţie se referă la cazurile în care deşi este necesară funcţionarea
colectorului în sarcină maximă, totuşi datorită condiţiilor meteo, acesta va fi orientat spre Sud şi
menţinut fix. În scopul maximizării răspunsului energetic, orientarea în paşi a colectoarelor solare
se realizează după raza solară, situaţie în care se obţine o maximizarea a radiaţiei directe; totuşi, aşa
cum s-a menţionat şi în Subcap. 3.3, orientarea diurnă a unui colector solar după raza solară, va
conduce la o scădere a radiaţiei solare difuze pe suprafaţa de captare.
Având în vedere acest aspect, se recomandă ca pe perioadele din zi în care Rdir_h

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
fie orientat în contra-fază sau să fie orientat Sud.
3.6 CONCLUZII ŞI CONTRIBUŢII ORIGINALE
Folosirea sistemelor de orientare pentru colectoare solar-termice face însă necesară stabilirea
unor programe de orientare, care să permită adaptarea răspunsului energetic al acestora la
necesităţile de încălzire a spaţiilor respectiv de obţinere a apei calde menajere. În plus, trebuie avute
în vedere şi o serie de aspecte referitoare la: valoarea temperaturii apei din rezervorul la care este
conectat colectorul, valoarea temperaturii maxime la ieşirea din colectorul solar, dar şi de specificul
radiaţiei solare al zonei de amplasare a sistemului colector solar.
Astfel, dacă în cazul panourilor fotovoltaice, stabilirea programelor optime de orientare au
în vedere maximizarea doar a eficienţei de captare a radiaţiei solare directe, în cazul orientării
colectoarelor solar-termice este însă necesară maximizarea eficienţei de captare a radiaţiei globale,
ceea ce conduce la apariţia unor ”situaţii contradictorii”; se are în vedere faptul că, orientarea unei
suprafeţe după raza solară conduce pe de o parte, la creşterea radiaţiei directe captată de aceasta
(motiv care justifică orientarea panourilor solare), iar pe de altă parte la scăderea radiaţiei difuze
captată (radiaţia difuză având valoare maximă pe suprafeţe orizontale).
100
95
90
85
80
75
Ef globala [%]
90
87
96
94
96
92
97
94
95
92
92
90
26
94
91
96 96
Ian. Feb. Mar. Apr. Mai Iun. Iul. Aug. Sep. Oct. Noi. Dec.
92
90
90
86
Ef_globala_k=1 Ef_globala_k=2
a) eficienţa globală pe suprafeţe cu orientare în paşi şi menţinerea orientării spre Sud, în funcţie de
raportul Rdir/Rdif
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Procentul din timpul total destinat orientarii, [%]
72
70
15
10
16
12
38
39
31 30
43
32
45
36
Ian. Feb. Mar. Apr. Mai Iun. Iul. Aug. Sep. Oct. Noi. Dec.
timp pentru orientare k=1 timp pentru orientare k=2
b) procentul din timpul total (zi lumină) destinat orientării, în funcţie de raportul Rdir/Rdif
Fig. 3.21 Programe de orientare în funcţie de raportul Rdir/Rdif
51
39
Figura 3.21 prezintă eficienţele de captare a radiaţiei globale (raportul dintre radiaţia globală
61
52
51
42
83
79
47
35
90
86
17
10

III. Stabilirea programelor optime de orientare a sistemelor cu orientare controlată în raport cu …
obţinută pe suprafaţa colectorului şi radiaţia globală obţinută pe o suprafaţă cu orientare continuă
după raza solară) şi procentul lunar din timpul total destinat orientării, pentru k=1 şi k=2; analizând
fig. 3.21 se poate observa că:
• dacă k=1, eficienţele globale e suprafaţa colectorului solar-termic pot creşte faţă de
situaţia în care k=2 cu valori între 2% şi 6%, în funcţie de luna considerată;
• timpul necesar orientării pe perioadele de iarnă (Decembrie, Ianuarie, Februarie)
reprezintă sub 20% din timpul total; în general, pe perioada acestor luni, zona urbană
Braşov este caracterizată de valori ridicate ale radiaţiei difuze;
• în perioadele de vară timpul necesar orientării colectorului solar poate ajunge la 70% din
totalul perioadei de strălucire a Soarelui.
În cadrul acestui capitol se pot evidenţia următoarele contribuţii:
S-a determinat unghiul de elevaţie optim anual pentru colectoarele solar-termice fixe
orientate Sud; în acest sens s-a considerat criteriul maximizării eficienţei de captare a
radiaţiei globale, valoarea optimă a unghiului de elevaţie fiind ρ*=28°, comparativ cu
valoarea recomandată în literatura de specialitate (36°) [13].
S-au determinat parametri optimi ai programului de orientare în paşi, pentru un sistem cu
orientare de tip pseudo-azimutal, cu funcţionare în regim de sarcină maximă; se
menţionează faptul că, pe lângă obiectivul maximizării răspunsului energetic pe suprafaţa
colectorului solar-termic, s-au avut în vedere şi aspecte privind:
minimizarea necesarului de energie pentru orientarea colectoarelor, acesta fiind
principalul motiv pentru care s-a adoptat ca durată a pasului de orientare, 60 min;
evitarea adoptării unor programe de orientare complicate (care la rândul lor conduc la
dificultăţi în aplicarea programelor de comandă a actuatoarelor), dacă acestea nu conduc
la o creştere semnificativă a eficienţei de orientare; spre exemplu, adoptarea unor
programe de orientare cu 4 (sau chiar 8) sezoane, sau adoptarea unor curse ale unghiului
diurn, mai mari de 120°, este nejustificată din punct de vedere al creşterii eficienţei de
captare a radiaţiei globale.
În cazul în care este necesară funcţionarea în sarcină maximă a colectorului solar, dar
radiaţia difuză este mai mare decât valoarea radiaţiei directe este necesară orientarea
colectorului solar spre Sud; în acest sens s-a identificat valoarea raportului k=Rdir/Rdif,
astfel:
• dacă Rdir/Rdif>k=1 se recomandă orientarea în paşi;
• respectiv, dacă Rdir/Rdif≤k=1 se recomandă orientarea către Sud, astfel încât
radiaţia globală captată de suprafaţa colectorului să fie maximă.
27

CAPITOLUL IV
STABILIREA SOLUŢIEI CONCEPTUALE ŞI DESIGNUL CONSTRUCTIV
AL SISTEMULUI COLECTOR SOLAR-TERMIC CU ORIENTARE
CONTROLATĂ
4.1 PARAMETRI MECANISMULUI DE ORIENTARE
Pentru realizarea mişcării corespunzătoare unghiului diurn ε* se propune un mecanism plan
de orientare după o axă, acţionat de două actuatoare liniare. Cursa unghiulară are un domeniu de
variaţie mare Δε*=180 o , permiţând în acest fel orientarea în contra-fază a colectorului solar-termic
(sau modulului fotovoltaic) fără probleme, în condiţii de complexitate structurală şi constructivă
redusă şi precizie de orientare ridicată atunci când este nevoie.
Mecanismul de orientare (fig. 4.1) soluţionează obiectivul propus prin utilizarea a două
actuatoare liniare, dispuse în triunghi, şi a unei bielete articulată la un capăt cu cele două actuatoare
şi la celalalt capăt cu un balansier solidar cu un panou solar. Mecanismul face obiectul brevetului
Mecanism de orientare mono-axiala cu doua actuatoare liniare, cerere A/00467 din 22.06.12,
autoarea acestei lucrări fiind co-autor.
a) schema cinematică a mecanismului
Fig. 4.1 Reprezentare geometrică 2D a mecanismului plan articulat cu două actuatoare liniare –
reprezentarea poziţiilor la răsărit, amiază, apus şi o poziţie intermediară
Dintre avantajele mecanismului de orientare propus, se amintesc:
o mecanismul de orientare fiind acţionat de două actuatoare liniare asigură realizarea unor
curse de orientare diurnă mari (≥180°), în condiţii de simplitate constructivă şi unghiuri
de transmitere în limite admisibile (θ>57°);
o datorită configuraţiei structurale şi constructive a mecanismului se asigură solicitarea
actuatoarelor liniare exclusiv cu forţe axiale centrice [84];
o pentru sistemele care necesită o orientare de precizie ridicată, mecanismul acţionat cu
două actuatoare liniare poate realiza precizii superioare, comparativ cu sistemele
prevăzute cu un singur actuator liniar;
o prin comanda corelată a mişcării celor două actuatoare se poate asigura orientarea
panourilor solare la un unghi de transmitere constant (θ≈90°; de asemenea, se poate
28

IV. Stabilirea soluţiei conceptuale şi design-ul constructiv al sistemului collector-solar-termic …
realiza simplificarea comenzii motoarelor cu asigurarea unor unghiuri de transmitere
avantajoase (θ>57°).
4.2 DESIGN-UL CONSTRUCTIV ŞI MODELAREA VIRTUALĂ A
SOLUŢIEI MECANICE
Ca sursă de acţionare s-au adoptat 2 actuatoare liniare de tip ATON 2 [93].
Soluţia constructivă propusă a fost modelată într-un soft de modelare 3D (Catia V5) şi este
prezentată în fig. 4.4. Sistemul de orientare propus are axa de orientare diurnă orizontală,
materializată de 2 rulmenţi oscilanţi cu flanşe (2) [101], unghiul de elevaţie al colectorului
obţinându-se prin montarea acestuia pe un cadru care permite reglarea manuală a acestui unghi,
braţul (4) fiind prevăzut cu alezaje dispuse la diferite distanţe, astfel încât să permită montarea
acestuia la diferite lungimi (respectiv diferite unghiuri de elevaţie ale cadrului pentru colector).
Fig. 4.4 Soluţia constructivă a sistemului de orientare - vedere laterală şi de ansamblu
Fixarea actuatoarelor, cadrului fix şi a bieletei pe arbori a fost realizată cu inele de siguranţa
pentru arbori conform DIN 471. În fig. 4.5 este prezentat modelul 3D al sistemului de orientare.
Fig. 4.5 Soluţia constructivă - modelul 3D şi detaliu de prindere a bieletei
29

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
4.4 ADAPTAREA PROGRAMULUI DE ORIENTARE LA MECANISMUL
DE ACŢIONARE
4.4.1 Implementarea programului optim de orientare pentru realizarea curselor diurne
mari
Unul dintre obiectivele urmărite la conceperea noului sistem de orientare, la reprezentat
asigurarea posibilităţii de realizare a unor curse diurne mari (∆ε*=180°). În acest fel, mecanismul
poate fi implementat în sisteme care necesită la funcţionarea sub sarcină termică maximă, orientarea
pe o traiectorie completă, dar şi orientarea în contra-fază atunci când sarcina termică este nulă.
Pentru determinarea programului de orientare s-au parcurs următoarele etape:
1) S-a trasat variaţia unghiului de orientare diurn ε, în funcţie de timpul solar pentru o zi
echivalentă din an (ziua reprezentativă aleasă fiind ziua 115); peste diagrama rezultată a fost
trasată diagrama de variaţie orară în paşi a unghiului de orientare a mecanismului ε*, astfel încât
aceasta să aproximeze cât mai fidel variaţia reală a unghiului ε.
2) În funcţie de valorile unghiului ε*, s-au calculat valorile lungimilor celor două actuatoare, L1 şi
L2, în premiza că unghiul de transmitere bieletă-balansier θ este constant pe parcursul întregii
zile (poziţiile de staţionare ale panoului solar sunt dispuse pe un cerc de rază AB), respectiv:
unde:
1
2 2
2 2
( ε * ) = ( L + x ) y , L ( * ) = ( L − x ) + y
L +
x B
0
B
( ε * ) = R sin(
ε * ) , ( * ) = R(
2 − cos(
ε * ) )
y B
B
2
ε , (4.7)
30
0
B
ε , (4.8)
AB = R = 250 mm.
Considerând, ca exemplu, pasul diurn din intervalul 9 30 -10 30 , în care se realizează trecerea
de la ε* = 48º la ε* = 33º (fig. 4.8, b), cu ajutorul fig. 4.9 se pot determina deplasările relative din
actuatoare, ∆L1 şi ∆L2, aferente pasului considerat şi respectiv lungimile, L1 şi L2, ale
actuatoarelor liniare la sfârşitul deplasării în acest pas: ∆L1 ≈ 65.15 mm , ∆L2 ≈ 27 mm, L1 ≈ 483
mm, L2 ≈ 311 mm (tabelul 4.3).
90o 82o 72o 60o 48o 33o 16o 0o -16o -33o -48o -60o -72o -82o -90o 24
22
[TS]
L1, L2 [mm]
768
720
20
672
18
16
14
12
10
8
10.5
9.5
548.28
483.13
624
576
528
480
432
384
336
6
311.85 338.86
288
4
240
2
0
[°]
192
144
-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100
ε (N=115) ε* L1 L2
b) exemplificarea pasului diurn din intervalul 930-1030, în care se realizează trecerea de la ε*=48º
la ε*=33º
Fig. 4.8 Variaţia unghiului diurn al razei solare, ε şi variaţia unghiului diurn al sistemului de
orientare în paşi, ε*, în funcţie de timpul solar, pe parcursul zilei 115
Tabelul 4.3 Parametri caracteristici programului de orientare în poziţiile de staţionare
TS ε* L1 L2 TS ε* L1 L2
4.5 90.00 500.00 707.11 12.5 -16.00 411.27 316.59
5.5 82.00 465.21 681.17 13.5 -33.00 483.13 311.85
B

IV. Stabilirea soluţiei conceptuale şi design-ul constructiv al sistemului collector-solar-termic …
6.5 72.00 422.92 645.47 14.5 -48.00 548.28 338.86
7.5 60.00 376.49 598.54 15.5 -60.00 598.54 376.49
8.5 48.00 338.86 548.28 16.5 -72.00 645.47 422.92
9.5 33.00 311.85 483.13 17.5 -82.00 681.17 465.21
10.5 16.00 316.59 411.27 18.5 -90.00 707.11 500.00
11.5 0.00 353.55 353.55 20.5 -90.00 707.11 500.00
3) Cunoscând setul de valori discrete ale lungimilor L1 şi L2 ale actuatoarelor, la orele când are
loc schimbarea poziţiei mecanismului, şi valoarea vitezei de deplasare a acestora (2.5 mm/s) se
obţine programul de comandă a actuatoarelor. Figura 4.10 prezintă variaţia în paşi a acestor
lungimi (L1 şi L2), precum şi deplasările relative din actuatoare.
800
750
ε, ε*[
100
80
700
60
650
40
600
20
550
500
0
450
-20
400
-40
350
-60
300
-80
250
-100
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
o L1, L2 [mm]
]
[TS]
L1 L2 ε* ε (N=115)
Fig. 4.10 Variaţiile lungimilor L1 şi L2 ale celor două actuatoare în funcţie de timpul solar
4) În următoarea etapă a fost necesară determinarea variaţiilor unghiului diurn al panoului ε* şi a
unghiului de transmitere θ, pe durata mişcării mecanismului la executarea paşilor de orientare.
800
110
750
L1, L2 [mm]
θ[°]
105
700
100
650
95
600
90
550
500
85
80
75
450
70
400
65
350
60
300
55
250
[TS]
50
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
L1 L2 θ
Fig. 4.11 Evidenţierea corelaţiei temporale dintre variaţia unghiului de transmitere bieletăbalansier
θ, şi deplasarea în paşi a celor două actuatoare
4.5 SIMULAREA COMPUTERIZATĂ A FUNCŢIONĂRII
MECANISMULUI DE ORIENTARE PSEUDO-AZIMUTALĂ
O etapă importantă înainte de punerea în funcţiune a sistemului colectorului solar-termic cu
orientare pseudo-azimutală, constă din simularea computerizată a funcţionării acestuia. În acest
sens, în acest capitol se propune un program care să facă posibilă simularea funcţionării
mecanismului de orientare pseudo-azimutală cu două actuatoare liniare.
31

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
Programul conceput a fost dezvoltat cu ajutorul mediului de programare orientat pe obiecte
Delphi [17]. În fig. 4.22, se prezintă interfaţa programului.
3
Fig. 4.22 Interfaţa programului pentru simularea mecanismului de orientare cu două actuatoare –
Pagina Simulare
a) poziţiile mecanismului de orientare pentru programul de comandă L1, L2 deplasare în paşi -
Program 1
32
2
6
1
4
5

IV. Stabilirea soluţiei conceptuale şi design-ul constructiv al sistemului collector-solar-termic …
b) Programul de comandă a actuatoarelor conduce la variaţii în trepte ale lungimilor acestora – în
poziţiile de staţionare cupla articulaţiei actuatoarelor se află pe o traiectorie apropiată de un cerc
Fig. 4.24 Animaţia mecanismului de orientare după programe de orientare în paşi
Zona 2 este specifică pentru cele două paginile ale programului şi permite selectarea
programului de comandă al actuatoarelor. În acest sens, în fig. 4.24 sunt prezentate 3 programe de
comandă ale celor două actuatoare, programe pentru care se realizează simularea funcţionării
mecanismului de orientare:
- L1 şi L2 – deplasare cu unghi de transmitere constant presupune deplasarea celor două
actuatoare astfel încât traiectoria parcursă de articulaţia B a actuatoarelor să se realizeze
după un arc de cer de rază R; în această situaţie actuatoarele se deplasează continuu de-a
lungul unei zile, iar unghiul de transmitere al mecanismului este constant (90.14°);
- L1, L2 deplasare în pasi - Program 1 presupune deplasarea actuatoarelor în paşi, la intervale
de o oră, pe parcursul zilei; astfel, pornind de la poziţia de răsărit lungimile celor două
actuatoare scad până la valoarea minimă calculată rămânând la această lungime până la ora
12 solar; în mod simetric faţă de 12 solar, pe perioada după-amiezii lungimile actuatoarelor
vor creşte atingând valorile corespunzătoare apusului;
- L1, L2 deplasare în pasi - Program 2 propune ca deplasarea actuatoarelor în paşi, la
intervale de o oră, să se realizeze pe parcursul dimineţii prin scăderea celor două lungimi
până la o anumită valoare (în cazul de faţă ambele actuatoare trebuie să ajungă la lungimea
de 353.55 mm la 12 solar), actuatorul care atingerea primul această lungime, menţinându-şi
lungimea constantă până în momentul executării primului pas al după-amiezii.
4.6 CONCLUZII ŞI CONTRIBUŢII ORIGINALE
În acest capitol a fost propusă soluţia conceptuală şi constructivă a unui sistem colector
solar-termic cu orientare pseudo-azimutală. Dezvoltarea unui nou mecanism de orientare monoaxială
– de tip mecanism cu bare articulate – acţionat de două actuatoare liniare, a avut la bază
următoarele obiective:
• mişcare unghiulară diurnă să permită orientarea panourilor solare (fotovoltaice sau solartermice)
pe parcursul traiectoriilor solare complete, pentru orice latitudine, respectiv
adoptarea unor curse unghiulare diurne mari (Δε*=180°);
• sistemul de orientare să poată fi realizat sub forma unui ansamblu cu un număr mare de
componente standardizate, în condiţiile unui grad redus de complexitate constructivă şi a
unor unghiuri de transmitere în limite admisibile;
• structura sistemului de orientare trebuie proiectată astfel încât să poată prelua toate
încărcările datorate greutăţii întregului sistem colector solar-termic şi acţiunii vântului, atât
în regim de funcţionare static (în stare de repaus, sistemul funcţionează corect în condiţiile
unor încărcări datorate forţei vântului calculată pentru o valoare a vitezei de max. 30 m/s)
cât şi dinamic (sistemul în mişcare, poate prelua încărcările datorate unei forţe a vântului
calculată pentru o viteză a acestuia de max. 14 m/s);
• încărcarea actuatoarele liniare să se realizează exclusiv de forţe centrice.
Proiectarea constructivă a soluţiei conceptule de sistem de orientare cu orientare pseudo-
33

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
azimutală a presupus ca etapă premergătoare simularea funcţională a acestuia, ceea ce a condus la
realizarea unui program de simulare care să permită vizualizarea grafică a poziţiilor mecanismului,
în special pe durata executării paşilor de orientare. În aceste situaţii, datorită vitezelor de deplasare
constante ale celor două actuatoare, dar a curselor liniare diferite ale acestora, trebuie realizată o
analiză atentă a oricărei configuraţii posibile a mecanismului.
Situaţiile de funcţionare care fac necesară o analiză detaliată a posibilelor poziţii ale
mecanismului, respectiv afişarea acestora la intervale mici de timp (câteva secunde), sunt cele în
care deplasarea între poziţiile de staţionare ale mecanismului se realizează cu diferenţe mari între
cursele actuatoarelor, respectiv:
- panoul solar este adus din poziţia de staţionare pe parcursul nopţii în poziţia de răsărit,
- şi readucerea panoului din poziţia de apus în poziţia de staţionare pentru noapte.
Aşadar, metoda ce mai sigură de verificare a funcţionării în paşi a mecanismului de
orientare, pe perioada executării paşilor de orientare – pentru orice program de comandă al
actuatoarelor – constă din simularea computerizată. În acest fel, poate fi evitată propunerea unor
programe de comandă a actuatoarelor care să conducă la apariţia în timpul funcţionării a unor
configuraţii ale mecanismului având unghiuri de transmitere necorespunzătoare.
Acest capitol propune, de asemenea, şi design-ul constructiv al sistemului colector solartermic
cu orientare pseudo-azimutală.
Principalele contribuţii originale ale acestui capitol sunt următoarele:
Dezvoltarea soluţiei constructive a unui nou mecanism de orientare cu bare articulate
acţionat de două actuatoare liniare (mecanism ce reprezintă şi subiectul unui brevet de
invenţie la care autoarea acestei lucrări este coautoare); noua soluţie constructivă a fost
concepută pentru implementarea unui sisteme de orientare a colectoarelor solar-termice;
soluţia propusă asigură realizarea unor curse mari ale unghiului diurn (Δε*=180°),
permiţând în acest fel parcurgerea unor traiectorii solare complete pentru orice zonă
geografică; de asemenea, mecanismul de orientare cu bare articulate, acţionat de două
actuatoare liniare, are aplicabilitate şi la modulele fotovoltaice (în aceste situaţii,
funcţionarea sistemului la curse diurne mari este justificată datorită creşterii importante a
eficienţei de captare a radiaţiei solare directe odată cu creşterea cursei diurne).
Elaborarea programelor de comandă ale celor două actuatoare liniare, pentru funcţionarea în
paşi a noului sistem de orientare, atât la curse diurne de 180° (pentru parcurgerea unor
traiectorii complete) cât şi de 120° (conform programului de orientare optim pentru zona
Braşov).
Întocmirea unui program performant pentru simularea funcţionării noului mecanism de
orientare acţionat de două actuatoare liniare, program care permite vizualizarea grafică a
poziţiilor mecanismului pe durata realizării paşilor de orientare; în timpul simulării, poziţiile
mecanismului sunt calculate la un interval de 3.6 s, evitându-se în acest fel eventualele
poziţii de blocare ale acestuia datorită unor valori necorespunzătoare ale unghiului de
transmitere (θ

CAPITOLUL V
SIMULAREA ENERGETICĂ A UNEI INSTALAŢII SOLAR-TERMICE
HIBRIDE. STUDII DE CAZ
5.3. STUDIU DE CAZ II - MODELARE UNEI INSTALAŢII SOLAR-
TERMICE HIBRIDE
5.3.2. Simularea instalaţiei experimenatale în mediul de simulare TRNSYS
Acest capitol propune modelarea, cu ajutorul programului de simulare energetică TRNSYS,
a instalaţiei solar-termice experimentale a Departamentului Sisteme de Energii Regenerabile şi
Reciclare, fig. 5.7 [55], [56].
Crearea proiectului multi-zonă a presupus, în prima etapă, modelarea clădirii cu ajutorul
modulului TRNBuild, ceea ce a permis definirea zonelor ce caracterizează clădirea (vezi. Capitol
II). Modelul TRNSYS al instalaţiei propuse spre studiu este prezentat în fig. 5.8;
Fig. 5.8 Schema TRNSYS a instalaţiei solar-termice hibride
Instalaţie solar-termică cu 2 colectoare solar-termice; un colector prevăzut cu sistem
de orientare pseudo-azimutală (elevaţie 21°) şi un colector fix orientat Sud având un unghi de
elevaţie de 21°
Analiza rezultatelor simulărilor instalaţiei hidraulice, conţinând un colector fix orientat spre
Sud şi un colector cu orientare pseudo-azimutală, ambele având o suprafaţă de 2.53 m2, conduce la
concluzia că, pentru lunile în care se înregistrează şi consum de energie necesar încălzirii spaţiului,
instalaţia nu va aduce un aport semnificativ la încălzire, sursa auxiliară fiind folosită cu
preponderenţă. În acest sens, în continuare se propun simulări ale instalaţiei folosind 4 colectoare,
respectiv câte 2 colectoare montate în serie, 2 fixe orientate Sud şi 2 având orientare pseudoazimutală,
în acest fel mărindu-se suprafaţa de captare a radiaţiei globale.
Figura 5.15 propune diagramele de echilibru pentru boilerele de preparare a apei calde
menajere şi de stocare a agentului termic pentru încălzirea spaţiului. Comparativ cu fig. 5.11 se
poate observa o creştere a valorilor energiei solare folosită atât la prepararea apei calde menajere cât
şi pentru încălzirea spaţiului; totuşi trebuie menţionat faptul că, în situaţiile unor clădiri destinate
birourilor, unde consumul de apă caldă menajeră nu este însemnat, creşterea suprafeţei colectoarelor
solare poate conduce, pe perioada verii, la creşterea temperaturi agentului termic (fig. 5.16), ceea ce
face necesară orientarea în contra-fază a acestora.
35

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
600
500
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
-500
-600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
-200
-400
-600
-800
-1000
-1200
-1400
[kW]
Ian. Feb. Mar. Apr. Mai Iun. Iul. Aug. Sep. Oct. Noi. Dec.
En_ACM En_pierdere En_sol
En_aux_ACM En_cedat En_primit
[kW]
a) Echilibrul energiilor din boilerul ACM
Ian. Feb. Mar. Apr. Mai Iun. Iul. Aug. Sep. Oct. Noi. Dec.
En_incalzire En_pierdere En_sol
En_aux En_cedat En_primit
b) Echilibrul energiilor din boilerul destinat încălzirii agentului termic necesar încălzirii spaţiului
Fig. 5.15 Echilibrul energiilor din cele 2 boilere ale instalaţiei
În fig. 5.17 sunt prezentate diagramele suprapuse ale celor două situaţii de funcţionare
analizate, respectiv, instalaţia prevăzută cu 2 colectoare solare (unul fix orientat spre Sud şi unul cu
orientare pseudo-azimutală) şi instalaţia cu 4 colectoare solare (două fixe orientate spre Sud şi două
cu orientare pseudo-azimutală).
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
[ o C]
44 44 45
35 35 36
54
41
62
46
64
47
36
66
49
71
52
65
48
[kW]
[kW]
46 45 44
36 35 35
Ian. Feb. Mar. Apr. Mai Iun. Iul. Aug. Sep. Oct. Noi. Dec.
T_med_boiler T_ACM T_boiler_jos
a) mediile lunare ale temperaturii apei calde menajere, temperaturilor în partea inferioară şi
temperatura medie din boilerul ACM
600
500
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
-500
-600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
-200
-400
-600
-800
-1000
-1200
-1400

60
54
48
42
36
30
24
18
12
6
0
-6
[ o C]
6
9
V. Simularea energetică a instalaţiilor solar-termice. Studii de caz
23
21
33
31
44
42
14
48
46
18
5
8
4
9
8
8
-3 -5
1 1
Ian. Feb. Mar. Apr. Mai Iun. Iul. Aug. Sep. Oct. Noi. Dec.
T_out_Paz T_out_F21 T_aer
37
52
50
56
53
20 20
b) mediile lunare ale temperaturii la ieşirea din colectoarele solare şi temperaturii medii a aerului
Fig. 5.16 Variaţia temperaturilor medii lunare
1750
1500
1250
1000
750
500
250
0
[kW]
Ian. Feb. Mar. Apr. Mai Iun. Iul. Aug. Sep. Oct. Noi. Dec.
En_sol_2total En_aux_2tot En_sol_total En_aux_tot
a) Energia solară utilă furnizată de colectoarele solare şi energia furnizată de sursa auxiliară
400
350
300
250
200
150
100
50
0
[kW]
48
46
18
25
24
16
15
[kW]
Ian. Feb. Mar. Apr. Mai Iun. Iul. Aug. Sep. Oct. Noi. Dec.
En_sol_2*Paz En_sol_2*F21 En_sol_Paz En_sol_F21
b) Energia solară utilă furnizată de colectoarele fixe şi colectoarele cu orientare pseudo-azimutală
[kW]
8
1750
1500
1250
1000
750
500
250
0
400
350
300
250
200
150
100
50
0

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
200
175
150
125
100
75
50
25
0
[kW]
161
152
141
131
116
113
73
61
53 50 49 48
37
31
38
32
20
53
27
118
113
145
130
199
175
94.99
90.72
Ian. Feb. Mar. Apr. Mai Iun. Iul. Aug. Sep. Oct. Noi. Dec.
Crestere En_Paz Crestere F21
c) creşterea procentuală a energiilor solare utile furnizate de colectoare (fixe şi mobile) în cazul
unei suprafeţe de captare de 5.06 m 2 comparativ cu o suprafaţă de 2.53 m 2
60
54
48
42
36
30
24
18
12
6
0
-6
[ o C]
14
18
20 20
9
8
4
-3 -5
1 1
Ian. Feb. Mar. Apr. Mai Iun. Iul. Aug. Sep. Oct. Noi. Dec.
T_out_Paz T_out_F21 T_aer T_out_2*Paz T_out_2*F21
d) mediile lunare ale temperaturii la ieşirea din colectoarele solare şi ale temperaturii medii a
aerului
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
[ o C]
71.29
59.00
52.10
44.39
Ian. Feb. Mar. Apr. Mai Iun. Iul. Aug. Sep. Oct. Noi. Dec.
T_med_boiler T_med_boiler_4col T_ACM T_ACM_4col
e) mediile lunare ale temperaturii apei calde menajere, temperaturilor în partea inferioară şi
temperatura medie din boilerul ACM
Fig. 5.17 Analiza comparativă a simulărilor pentru instalaţia hidraulică prevăzută cu două
colectoare solare (unul cu orientare pseudo-azimutală şi unul fix orientat spre Sud), respectiv patru
colectoare (două cu orientare pseudo-azimutală şi două fix orientat spre Sud)
18

V. Simularea energetică a instalaţiilor solar-termice. Studii de caz
Analiza acestor diagrame conduce la formularea următoarelor concluzii:
• creşterea suprafeţei colectoarelor solare conduce la o creştere a aportului solar de energie atât
pentru încălzire, cât şi pentru prepararea apei calde menajere (fig. 5.17, a); de asemenea, se
poate observa că, dublarea suprafeţei colectoarelor solare, conduce la acoperirea necesarului de
energie destinat încălzirii apei calde menajere pe perioada verii (Mai – Septembrie);
• dublarea suprafeţei de captare a colectoarelor solare cu orientare pseudo-azimutală conduce la o
creştere anuală a energiei solare utile furnizată de acestea de 95% (fig. 5.17, b şi fig. 5.17, c);
• dublarea suprafeţei de captare a colectoarelor solare fixe orientate Sud conduce la o creştere
anuală a energiei solare utile furnizată de acestea de 90.7% (fig. 5.17, b şi fig. 5.17, c);
În concluzie se poate afirma că, pentru a determina suprafaţa optimă de colectare solare,
astfel încât sursa auxiliară să fie folosită ca sursă complementară este necesară o analiză detaliată,
care să ţină cont de destinaţia clădirii şi de necesarul de apă caldă menajeră (colectoarele solare
funcţionează la randament maxim pe perioadele de vară). Se are în vedere faptul că, o creştere a
suprafeţei colectoarelor solare poate necesita folosirea cu preponderenţă, pe perioada verii, a
programelor de orientare pentru sarcină parţială, în scopul evitării supra-încălzirii agentului
termic.
Simularea instalaţiei solar-termice cu 2 colectoare solare; un colector prevăzut cu
sistem de orientare pseudo-azimutală (elevaţie 21°) şi un colector fix orientat Sud având un
unghi de elevaţie de 35°
Deoarece instalaţia pe care se va realiza testarea experimentală (instalaţia experimentală a
Departamentului Sisteme de Energii Regenerabile şi Reciclare) are colectorul fix orientat Sud,
montat la un unghi de elevaţie de 35°, în continuare se propune realizarea simulărilor pentru această
instalaţie. Simulările prezentate sunt extrase pentru 2 perioade de câte 7 zile în care necesarul de
energie pentru încălzire este nul:
• 1 Iunie – 7 Iunie 2012, perioadă formată dintr-o succesiune de zile atât senine cât şi cu cer
variabil;
• 16 Iulie – 22 Iulie 2012, perioadă formată doar din zile senine.
Pentru cele două perioade supuse analizei, au fost trasate digramele de variaţie a energiilor
solare utile furnizate la cele două colectoare (fig. 5.19) şi de asemenea, diagramele modului de
funcţionare a celor două colectoarelor solare împreună cu sursa auxiliară pentru producerea
necesarului impus de apă caldă menajeră (fig. 5.20).
Astfel, se poate observa că pe perioadele cu cer variabil (1 Iunie – 7 Iunie) energia utilă
furnizată de cele două colectoare scade, iar în concordanţă cu această scădere are loc o creştere a
energiei furnizate de sursa auxiliară. În cazul unei succesiuni de zile senine (16 Iunie – 22 Iunie),
creşterea de energie produsă de cele două colectoare solare face ca – pentru consumul impus de apă
caldă menajeră – să nu mai fie necesară funcţionarea sursei auxiliare
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
[kW]
0.0
3648 3672 3696 3720 3744 3768 3792 3816
ora_din_an
En_sol_Paz En_sol_F35 En_sol_col_total
39
1 Iunie - 7 Iunie 2012
a) perioada 1 Iunie – 7 Iunie 2012

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
[kW]
0.0
4008 4032 4056 4080 4104 4128 4152 4176
ora_din_an
En_sol_Paz En_sol_F35 En_sol_col_total
40
16 Iunie - 22 Iunie 2012
b) perioada 16 Iunie – 22 Iunie 2012
Fig. 5.19 Energia solară utilă furnizaată cu ajutorul celor două colectoare solare
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
[kW]
1 Iunie - 7 Iunie 2012
0.0
3648 3672 3696 3720 3744 3768 3792 3816
En_aux_ACM En_sol_col_total
ora_din_an
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
[kW]
a) perioada 1 Iunie – 7 Iunie 2012
16 Iunie - 22 Iunie 2012
0.0
4008 4032 4056 4080
En_aux_ACM
4104 4128 4152 4176
ora_din_an
En_sol_col_total
b) perioada 16 Iunie – 22 Iunie 2012
Fig. 5.20 Energia solară utilă furnizată de cele două colectoare şi energia utilă produsă de sursa
auxiliară pentru producerea necesarului impus de apă caldă menajeră
5.4 CONCLUZII ŞI CONTRIBUŢII ORIGINALE
Acest capitol a avut ca obiectiv principal analiza modului de funcţionare a colectoarelor
solare cu orientare pseudo-azimutală şi fixe orientate Sud, în cadrul unei instalaţii solar-termice. În

V. Simularea energetică a instalaţiilor solar-termice. Studii de caz
aceste sens, s-a propus utilizarea unui soft de simulare energetică (TRNSYS) care să facă posibilă
analiza tranzitorie a parametrilor caracteristici unei instalaţii solar-termice.
Modelarea instalaţiei experimentale a presupus ca etape iniţiale, descrierea modelului
geometric al clădirii, implementarea programelor de funcţionare ale acesteia şi determinarea
necesarului termic pentru încălzirea spaţiilor, respectiv, a necesarului termic pentru încălzirea apei
calde menajere.
În urma simulările propuse, se pot formula următoarele concluzii:
valoarea energiei solare utile furnizate la colectorul solar-termic cu orientare pseudoazimutală
este mai mare decât cea obţinută pa colectorul fix orientat Sud; astfel în urma
simulării instalaţiei hibride experimentale, energia solară utilă furnizată de colectorul cu
sistem de orientare pseudo-azimutală a fost de 1475 kW/an iar cea furnizată de colectorul
fix, 984 kW/an;
pe perioadele Martie – Aprilie şi Octombrie, aportul energiei solare 200÷220 kW/lună din
valoarea totală necesară;
pe perioadele de vară, formate dintr-o succesiune de zile cu cer senin, instalaţia poate furniza
necesarul de apă caldă menajeră fără aportul unei surse auxiliare;
folosirea colectoarelor prevăzute cu sisteme de orientare pseudo-azimutală poate conduce la
o reducere a suprafeţei de captare cu până la 90% faţă de cazul folosirii colectoarelor solare
fixe; în sprijinul acestei afirmaţii se menţionează faptul că, folosind un colector prevăzut cu
sistem de orientare pseudo-azimutal şi având o suprafaţă de 2.53 m 2 se obţin anual 1476
kWh în timp ce un colector fix orientat Sud având o suprafaţă de 5.06 m 2 produce o energie
utilă de 1533 kWh/ an (fig. 5.17, a şi fig. 5.17, b).
Contribuţii originale
Obiectivul principal urmărit la realizarea simulărilor privind funcţionarea colectoarelor
solar-termice (folosind soft-ul de analiză tranzitorie TRNSYS) a constat din modelarea cât mai
fidelă cu realitatea a instalaţiilor solar-termice şi a condiţiilor în care acestea lucrează. În acest sens,
se pot evidenţia următoarele contribuţii originale:
Cu ajutorul TRNSYS s-au conceput modelele de simulare a instalaţiei experimentale a
Departamentului Sisteme de Energii Regenerabile şi Reciclare; pentru aceasta s-a
realizat cuplarea modelului real al clădirii (Căsuţa Solară a Departamentului Sisteme de
Energii Regenerabile şi Reciclare) şi au fost implementate în soft datele meteo reale din
zona urbană Braşov;
Deoarece s-a dorit analiza funcţionării unor colectoare cu orientare (fixe orientate Sud
sau cu orientare pseudo-azimutală) în cadrul unei instalaţii solar-termice, pentru
realizarea simulărilor au fost concepute fişiere care să conţină informaţii privind valorile
parametrilor programelor de orientare concepute, fişiere care au fost implementate şi
conectate cu sub-rutinele oferite de soft-ul TRNSYS.
41

CAPITOLUL VI
VALIDAREA REZULTATELOR TEORETICE PRIN TESTĂRI
EXPERIMENTALE
6.1 DESCRIEREA INSTALAŢIEI DE TESTARE
În vederea realizării testărilor experimentale s-a utilizat o instalaţie hidraulică care conţine
două colectoare solar-termice identice (un colector solar-termic fix şi unul cu orientare diurnă)
fiecare având o suprafaţă de captare de 2.53 m 2 .
Pentru colectorul cu orientare diurnă existent a fost necesară modificarea mecanismului de
orientare, astfel încât mişcarea diurnă să se realizeze după o axă orizontală, iar programele de
orientare pseudo-azimutală să poată fi implementate (programele de orientare specifice zonei
Braşov şi recomandate de această lucrare în Capitolul IV). Se menţionează faptul că, mecanismul
existent iniţial, face obiectul brevetului Sistem şi metoda de orientare a unui colector solar-termic
plan în funcţie de necesarul termic, cerere A/00109 din 20.02.2012, brevet la care autoarea acestei
lucrări este coautor.
Mecanismul de orientare pentru realizarea mişcării (diurne) pseudo-azimutale a
colectorului solar-termic
Schema structurală a mecanismului de orientare este prezentată în fig. 6.1, acesta fiind
compus dintr-un cadru fix (0), colector solar-termic orientabil (1), balansierul (2) şi un actuator
liniar A(L) articulat la baza (0) şi la colectorul mobil. Mişcarea diurnă se realizează în jurul unei axe
orizontale ce conţine articulaţia bazei A, colectorul solar-termic fiind montat înclinat cu unghiul
optim anual al elevaţiei, ρ*=21°.
Programul de orientare al actuatorului liniar A(L) a fost conceput astfel încât acesta să
asigure orientarea diurnă în paşi a colectorului mobil (1), pentru o cursă Δε*=120°.
Fig. 6.1 Mecanismul de orientare pseudo-azimutală pentru obţinerea mişcării diurne
În fig. 6.2 sunt prezentate cele 2 colectoare ale instalaţiei de testare, montate pe acoperişul
unui corp de clădire al Universităţii Transilvania din Braşov. Colectorul fix este montat în faţa
colectorului mobil, la o distanţa corespunzătoare, pentru a se evita umbrirea reciprocă. De
asemenea, ambele colectoare au fost montate astfel încât să se evite umbrirea de către celelalte
echipamente prezente pe acoperiş.
42

VI. Validarea rezultatelor teoretice prin testări experimentale
Fig. 6.2 Vedere de ansambu a celor două colectoare – fix şi orientabil.
6.3 PRELUCRAREA DATELOR EXPERIMENTALE
Pe perioada testărilor, instalaţia a funcţionat după programe diferite de testare, scopul
urmărit fiind acela de a determina comportamentul energetic al instalaţiei în diferite situaţii de
funcţionare. Pentru realizarea programului de testări s-au avut în vederea următoarele date de
intrare:
particularităţile geografice şi climatice ale locaţiei de implementare: latitudine,
longitudine, valorile reale ale radiaţiilor globale şi difuze, temperatura aerului;
dimensiunile şi performanţele colectoarelor solar-termice (CST): lăţime, lungime,
grosime, dimensiunile suprafeţei absorbante;
temperatura maximă admisibilă pentru agentul termic T_adm.
Observaţii:
1. Eficienţele de captare a radiaţiei solare globale se vor reprezenta doar pe intervalul orar: 5..19,
respectiv pe perioada în care unghiul altitudinal α>5o; se menţionează faptul că la calculul
radiaţiei solare directe pe o suprafaţă orientată (Capitolul III, relaţia (3.1)), pentru unghiuri
α

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
Diferenţa dintre cantitatea de energie solară captată de suprafaţa colectoare cu orientare
pseudo-azimutală şi energia solară utilă furnizată de aceasta este dată de randamentul colectorului
solar-termic; astfel se poate remarca că pe durata orelor 8..15 30 (când debitul la colectorul solartermic
este relativ constant), randamentul colectorului solar-termic este de ≈60%, această valoare
putându-se modifica în funcţie de consumul din instalaţie, consum care conduce la o variaţie a
temperaturii la ieşirea din colector.
80
70
60
50
40
30
20
[ o C]
1 Iulie
10
TS
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
T_in T_out T_aer
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
700
600
500
400
300
200
100
[W/m 2 ]
0
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
-100
19
TS
20
En_sol_util Rg_Paz Rg_h Rg_con ε ε*
[W/m 2 ]
[l/h]
44
1 Iulie
1 Iulie
ε, ε*[ o ]
0
20
TS
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
En_sol_util Debit ran_Paz Ef_g_Paz
Fig. 6.7 Diagramele datelor monitorizate pentru instalaţia funcţionând doar cu un colector solartermic
cu orientare pseudo-azimutală – 1 Iulie 2012
Prelucrarea datelor experimentale pentru o instalaţie solar termică cu un colector fix
orientat Sud având un unghi de elevaţie de 21°
Diagramele datelor înregistrate pentru situaţia în care colectorul solar-termic a funcţionat
doar cu colectorul solar-termic fix orientat spre Sud, sunt prezentate în fig. 6.13.
[%]
100
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
100
90
80
70
60
50
40
30

50
45
40
35
30
25
20
15
[ o C]
VI. Validarea rezultatelor teoretice prin testări experimentale
21 Iulie
10
TS
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
T_in T_out T_aer
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
700
600
500
400
300
200
100
[W/m 2 ]
0
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
-100
19TS20 En_sol_util Rg_F21 Rg_h Rg_con ε ε∗
[W/m 2 ]
[l/h]
45
21 Iulie
21 Iulie
ε, ε*[ o ]
0
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
20
19
TS
20
En_sol_util Debit Ran_F21 Ef_g_F21
Fig. 6.13 Diagramele datelor monitorizate pentru instalaţia funcţionând doar cu un colector solartermic
fix orientat Sud – 21 Iulie 2012
Din analiza comparativă a diagramelor radiaţiei solare globale pe o suprafaţa orientată Sud
şi a radiaţiei solare pe o suprafaţă cu orientare continuă se poate observa diferenţa însemnată dintre
acestea, în special pe perioadele cu cer senin. În aceste situaţii eficienţa de orientare variază de la
0% la 99% (pe perioadele cu cer senin, valorile maxime se înregistrează la ora 12 solar). Aşadar,
comparativ cu suprafeţele având orientare pseudo-azimutală, eficienţa de orientare scade
semnificativ.
Referitor la randamentul de transformare a energiei solare în energie solară utilă furnizată de
instalaţia solară se poate observa că, valorile acestuia variază în jurul valorii de 55% pe durata
cuprinsă între orele 9.. 15 30 .
[%]
100
80
60
40
20
0
90
80
70
60
50
40
30
-20
-40
-60
-80
100

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
6.4 VALIDAREA REZULTATELOR OBŢINUTE ÎN URMA
SIMULĂRILOR ENERGETICE REALIZATE ÎN SOFT-UL TRNSYS
Acest capitol propune studiul comparativ al rezultatelor experimentale cu cele obţinute în
urma simulărilor energetice realizate cu ajutorul soft-ului TRNSYS.
În prima etapă se propune analiza comparativă a eficienţelor lunare de captare a radiaţiei
solare pe o suprafaţă cu orientare în paşi de tip pseudo-azimutal. Astfel, în fig. 6.18 sunt prezentate,
pe lângă diagramele eficienţelor de captare a radiaţiei globale şi directe, valorile erorilor dintre
eficienţele calculate cu valorile meteo înregistrate de staţia Delta T şi eficienţele obţinute după
prelucrarea datelor obţinute în urma simulărilor.
100
95
90
85
80
75
70
[%]
-1.88
-0.33
0.08
0.32
0.16 0.95 0.18
46
0.77
0.23
-0.20
-0.57
-2.56
Ian. Feb. Mar. Apr. Mai Iun. Iul. Aug. Sep. Oct. Noi. Dec.
Ef_g_Paz_real Ef_g_Paz_TRNSYS Eroare_g
a) valorile lunare ale eficienţelor de captare a radiaţiei globale
Fig. 6.18 Eficienţele lunare de captare a radiaţiei solare directe şi globale obţinute prin
prelucrarea datelor meteo reale, respectiv a rezultatelor obţinute prin simulare cu soft-ul TRNSYS
Din punct de vedere al eficienţei de captare a radiaţiei globale se poate spune că, erorile
valorilor obţinute după prelucrarea datelor simulate cu TRNSYS, faţă de cele reale se încadrează în
domeniul -2.6% ÷ 0.8%; referitor la eficienţele de captare a radiaţiei directe, erorile valorilor
simulate faţă de cele reale se încadrează între -1.4% ÷ 0.6%.
Având în vedere valorile mici ale erorilor de calcul se poate afirma că, din punct de vedere
ale eficienţelor de captare a radiaţiei solare, soft-ul TRNSYS validează datele reale.
În fig. 6.19 şi fig. 6.20 sunt prezentate – pentru colectorul prevăzut cu sistem de orientare de
tip pseudo-azimutal – capturile diagramelor obţinute cu soft-ul TRNSYS dar şi suprapunerea
acestor rezultate cu variaţiile reale ale parametrilor reprezentaţi; în principal s-a urmărit analiza
comparativă a temperaturilor la ieşirea din colectorul solar-termic (fig. 6.19) şi a energiilor solare
utile furnizate de acesta (fig. 6.20).
[%]
3.0
2.0
1.0
0.0
-1.0
-2.0
-3.0

80
70
60
50
40
30
20
[ o C]
VI. Validarea rezultatelor teoretice prin testări experimentale
Functionare cu sistem de orientare pseudo-azimutală: 1-5 Iulie
10
0
ora din an
4368 4380 4392 4404 4416 4428 4440 4452 4464 4476 4488
T_aer T_out_monit Temp_out_Paz
Fig. 6.19 Simularea cu soft-ul TRNSYS a funcţionării colectorului solar cu orientare pseudoazimutală
şi diagramele valorilor monitorizate de standul de testare – temperaurile la colector
2750
2500
2250
2000
1750
1500
1250
1000
750
500
250
0
Functionare cu sistem de orientare pseudo-azimutală: 1-5 Iulie
[W/m 2 ]
[l/h]
47
En_2.53 2750 [W]
2500
2250
2000
1750
1500
1250
1000
750
500
250
ora din an
0
4368 4380 4392 4404 4416 4428 4440 4452 4464 4476 4488
Debit En_monit En_sol_Paz_TRNSYS En_sol_2.53_Paz
Fig. 6.20 Simularea cu soft-ul TRNSYS a funcţionării colectorului cu orientare pseudo-azimutală şi
diagramele valorilor monitorizate de stand-ul de testare – energiile solare utile
Analiza diagramelor teoretice şi experimentale prezentate conduce la concluzia că
diagramele simulate cu soft-ul TRNSYS urmăresc fidel curbele reale, dar pentru o analiză
comparativă corectă a acestora, în tabelul 6.3, se propune şi calculul erorilor dintre valorile teoretice
şi reale ale temperaturilor la ieşirea din colector şi ale energiei solare utile. Calculul erorilor este
prezentat sub forma valorilor procentuale zilnice (MPE – Mean Percentage Error) pentru toate zilele
din Iulie în care s-au realizat testări.

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
Tabelul 6.3 Erorile zilnice procentuale dintre valorile simulate şi cele monitorizate
pentru temperaturile de ieşire din colector şi energiile solare utile furnizate de acesta
Colector cu orientare pseudo-azimutală Colector cu fix orientat spre Sud
Ziua
MPE_Tout_Paz
[%]
MPE_En_Paz
[%]
Ziua
MPE_Tout_F21
[%]
MPE_En_F21
[%]
1 Iulie 1.5007 0.4261 9 Iulie 0.3801 -2.8778
2 Iulie 1.3514 0.7833 10 Iulie 1.0435 -1.2489
3 Iulie 0.7962 -0.5728 11 Iulie 1.1656 -1.7397
4 Iulie 1.0191 -1.0003 19 Iulie 1.5717 -0.986
5 Iulie 1.2613 -2.1199 20 Iulie -0.0697 -0.9267
6 Iulie 0.1809 -2.0988 21 Iulie -0.5944 -3.2806
7 Iulie 2.1825 -3.3499 22 Iulie -0.3471 -0.59
… … … … … …
30 Iulie 0.0225 1.9644
Din analiza erorilor zilnice prezentate în tabelul 6.3, rezultă că erorile de calcul pentru
temperaturile de ieşire din colectorul solar-termic se încadrează între -0.6% şi 2.2%, iar cele
referitoare la energia solară utilă furnizată de colectorul solar-termic se află în domeniul -3.35% şi
2%; având în vedere valorile mici ale erorilor se poate afirma că simulările energetice cu soft-ul
TRNSYS validează valorile reale obţinute în urma testărilor experimentale.
6.5 CONCLUZII ŞI CONTRIBUŢII ORIGINALE
Studiul comparativ al diagramelor experimentale obţinute în urma aplicării diferitelor
programe de testare conduce la următoarele concluzii:
Folosirea colectoarelor solar-termice cu mecanisme de orientare pseudo-azimutală
conduce la o creştere a eficienţei de captare a radiaţiei solare globale comparativ cu,
colectoarele solar-termice fixe orientate Sud; această creştere a eficienţei de orientare
este datorată creşterii semnificative a radiaţiei solare pe suprafaţa orientată, pe perioadele
dimineţii şi după-amiezii;
Pe perioadele cu cer variabil, când valorile radiaţiei difuze sunt mai mari decât cele ale
radiaţiei directe se recomandă menţinerea colectorului solar-termic fix orientat spre Sud;
se are în vedere faptul că, orientarea colectorului astfel încât acesta să urmărească cât
mai fidel raza solară are ca scop creşterea radiaţiei directe pe suprafaţa acestuia; aşadar
se poate formula concluzia: dacă valoarea radiaţiei directe pe o suprafaţă orizontală
este mai mică decât cea difuză (aceasta din urmă având valori maxime pe o suprafaţă
orizontală), nu este necesară orientarea colectorului;
Pe parcursul realizării programelor de testare, rezultatele obţinute cu ajutorul soft-urilor
de simulare energetică (TRNSYS) au fost validate de datele experimentale monitorizate.
Contribuţii originale:
Proiectarea soluţiei constructive a mecanismului de orientare, în scopul adaptării
acestuia la orientarea de tip pseudo-azimutal.
Cercetările teoretice propuse pe parcursul acestei lucrări au fost validate de cercetările
experimentale realizate în cadrul acestui capitol; se face referire în special la validarea proiectelor
TRNSYS prezentate pe parcursul Capitolului V, respectiv la rezultatele şi concluziile formulate în
urma simulărilor energetice; programele de testare aplicate în acest capitol validează simulările cu
ajutorul soft-urilor performante de analiză energetică şi subliniază importanţa folosirii acestora în
proiectarea instalaţiilor solar-termice.
48

CAPITOLUL VII
CONCLUZII FINALE. CONTRIBUŢII ORIGINALE. DISEMINAREA
REZULTATELOR. DIRECŢII VIITOARE DE CERCETARE
7.1 CONCLUZII FINALE
În urma studiilor efectuate privind adaptarea sistemelor de orientare a colectoarelor solare la
necesarul termic al unei clădiri se pot formula o serie de concluzii reprezentative, sistematizate în
continuare pe capitole.
Capitolul 1
Analiza stadiului actual al tipurilor existente de sisteme de orientare diurnă folosite în prezent
(în principal pentru orientarea panourilor fotovoltaice) a condus la adoptarea ca soluţie de
orientare a colectoarelor solare, a sistemului de tip pseudo-azimutal; principalele avantaje
care au condus la această alegere au fost: posibilitatea implementării acestor sisteme pentru
orientarea platformelor de dimensiuni medii şi mari, eficienţa de captare a radiaţiei globale
este mai ridicată la acest tip de orientare comparativ cu alte sisteme, iar din punct de vedere
constructiv aceste sisteme de orientare sunt simple putând fi obţinute tehnologic uşor.
Capitolul 2
Pentru zona Braşov, valoarea anuală a energiei globale obţinută pe o suprafaţă orizontală este
de ≈1362 kWh/m 2 /an, iar pentru o suprafaţă fixă orientată Sud cu un unghi optim de elevaţie
(28°) este de ≈1512 kWh/m 2 /an; în condiţiile unei suprafeţe cu orientare continuă după raza
solară energia globală captată de aceasta poate ajunge la valoarea anuală de ≈1954
kWh/m 2 /an; având în vedere însă, condiţiile reale în care se poate realiza orientarea unei
suprafeţe astfel încât acestea să urmărească cât mai fidel raza solară, pentru o suprafaţă cu
orientare pseudo-azimutală în paşi se poate obţine o valoare a energiei solare anuale de ≈1877
kWh/m 2 /an.
Valoarea optimă a unghiului de elevaţie pentru o suprafaţă fixă orientată spre Sud este de 28°,
atunci când se urmăreşte maximizarea radiaţiei globale captată de aceasta respectiv de 36° în
cazul maximizării radiaţiei directe.
În cazul suprafeţelor cu orientare diurnă, valorile unghiurilor de elevaţie pentru care eficienţa
anuală de captare a radiaţiei globale este maximă, sunt diferite de unghiurile de elevaţie
pentru o suprafaţa fixă orientată Sud; astfel, eficienţa de captare maximă în cazul radiaţiei
globale, se obţine pentru valori ale unghiului de elevaţie de ≈21° în cazul utilizării unui
sistem de tip pseudo-azimutal şi 28° în cazul unui sistem pseudo-ecuatorial (pentru curse
diurne de 120°, respectiv 180°).
Sistemele de orientare de tip pseudo-azimutal au o eficienţă de captare a radiaţiei globale mai
ridicată decât cele cu orientare de tip pseudo-ecuatorial, motiv pentru care acestea se
recomandă pentru orientarea panourilor solar-termice.
Sistemele de orientare de tip pseudo-ecuatoriale sunt recomandate pentru orientarea
panourilor fotovoltaice, acestea înregistrând valori ale eficienţelor de captare a radiaţiei
directe mai ridicate decât sistemele de orientare pseudo-azimutală.
Capitolul 3
Pentru un sistem de orientare de tip pseudo-azimutal, cu funcţionare în regim de sarcină
maximă, parametrii optimi ai programului de orientare în paşi au următoarele valori: unghiul
de elevaţie ρ*=21°, cursa diurnă Δε* =120°, orientare diurnă după 1 sezon cu un pas de
orientare de 60 min; aceşti parametri au fost obţinuţi din condiţia de maximizare a
răspunsului energetic pe suprafaţa colectorului solar-termic.
Identificarea valorii raportului k=Rdir/Rdif=1, pentru cazul în care, deşi este necesară
funcţionarea în sarcină maximă a colectorului solar, datorită valorii radiaţiei difuze mai mari
decât cea a valorii radiaţiei directe, colectorul solar va fi menţinut fix orientat spre Sud, în
aceste situaţii:
49

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
• dacă Rdir/Rdif>k=1 se recomandă orientarea în paşi,
• respectiv dacă Rdir/Rdif≤k=1 se recomandă orientarea către Sud, astfel încât radiaţia
globală captată de suprafaţa colectorului să fie maximă.
Capitolul 4
Conceperea unor sisteme de orientare a colectoarelor solare are ca obiectiv principal
maximizarea răspunsului energetic pe suprafaţa acestora în condiţiile funcţionării în sarcină
maximă, dar şi adaptarea orientării acestora în condiţii de sarcină termică nulă sau parţială; în
aceste condiţii, este necesară asigurare unor curse mari ale unghiului diurn (180°), curse care
să permită parcurgerea unor traiectorii solare complete pentru orice zonă geografică
(funcţionare în sarcină maximă), dar şi orientarea în contra-fază atunci când sarcina termică o
impune (sarcină termică nulă); în plus, toate aceste condiţii trebuie îndeplinite în condiţiile
unei soluţii constructive cât mai simple, uşor de realizat tehnologic şi care să funcţioneze
corespunzător atât în condiţiile unui regim de încărcare static cât şi dinamic.
Pentru sistemul de orientare a colectoarelor solar-termice s-a adoptat, pentru realizarea
mişcării diurne, un mecanismul de orientare cu bare articulate, acţionat de două actuatoare
liniare; se menţionează faptul că, soluţia adoptată are aplicabilitate şi la modulele
fotovoltaice, datorită asigurării curselor diurne mari, care în cazul modulelor fotovoltaice,
conduc la o creşterea importantă a eficienţei de captare a radiaţiei solare directe.
Înainte de adoptarea soluţiei constructive se recomandă simularea funcţionării mecanismelor
de orientare, în scopul verificării programelor de comandă a actuatoarelor şi a respectării
condiţiilor de funcţionare (variaţia unghiurilor de transmitere să se realizeze în limite
admisibile).
Soluţia constructivă a sistemului de orientare propus s-a realizat cu ajutorul unui soft
performant de modelare 3D (Catia); în acest fel a fost posibilă, atât verificarea curselor
unghiulare impuse, cât şi simularea funcţionării întregului sistem fără apariţia coliziunilor
între elementele acestuia.
Adoptarea unei soluţii constructive de sistem de orientare face necesară verificarea la
încărcări a principalelor componente ale acestuia, atât în regim de funcţionare static cât şi
dinamic.
Capitolul 5
Folosirea programelor de simulare energetică, încă din faza de proiectare a instalaţiilor solartermice
conduce la posibilitatea identificării soluţiilor optime atât din punct de vedere al
consumului energetic dar şi al parametrilor de confort, permiţând simularea diverselor
scenarii de consum energetic. De asemenea, folosirea simulărilor computerizate face posibilă
analiza comportamentului în funcţionare a colectoarelor solare (ca parte a unei instalaţii) şi
analiza în regim tranzitoriu a unor parametri caracteristici. În plus, referitor la sistemele de
orientare, în urma prelucrării statistice a rezultatelor simulărilor, se pot formula concluzii cu
privire la tipul sistemului de orientare recomandat în funcţie de perioada din an (se realizează
analiza valorilor energiei solare utile furnizate de colectoare).
Valoarea energiei solare utile furnizată de un colector solar-termic cu orientare pseudoazimutală
este mai mare decât cea furnizată de un colector fix orientat Sud; astfel, la
simularea energetică a instalaţiei solar-termice experimentale a Departamentului Sisteme de
Energii Regenerabile şi Reciclare (instalaţie care dispune de două colectoare având fiecare
suprafaţa de 2.53 m 2 , un colector fiind prevăzut cu sistem de orientare pseudo-azimutală iar
celălalt fiind fix orientat spre Sud cu un unghi de elevaţie de 21°), pentru energia solară utilă
furnizată de colectorul mobil s-a obţinut 1475 kW/an comparativ cu valoarea de 984 kW/an
pentru colectorul fix. De asemenea, se menţionează că, folosind o astfel de instalaţie hibridă,
pe perioadele Martie – Aprilie şi Octombrie, aportul energiei solare poate ajunge la 200÷220
kW/lună; pe perioadele din vară, formate dintr-o succesiune de zile cu cer senin, instalaţia
poate furniza necesarul de apă caldă menajeră fără aportul unei surse auxiliare.
Dublarea suprafeţei colectoarelor solare prevăzute cu sisteme de orientare pseudo-azimutale
50

VII. Concluzii finale. Contribuţii originale. Diseminarea rezultatelor. Direcţii viitoare de …
poate conduce la o creştere anuală a energiei solare utile furnizată de acestea cu ≈95%.
Creşterea suprafeţei de captarea a colectoarelor solare conduce la o creştere a aportului
energiei solare în totalul de energie termică necesară, pe perioadele de primăvară şi toamnă;
totuşi mărirea suprafeţei colectoare poate conduce, pe perioada verii, la o supraîncălzire a
agentului termic al acestora, ceea ce face necesară orientarea în contra-fază sau spre Sud a
colectoarelor.
Capitolul 6
Pentru determinarea performanţelor obţinute de colectoarele solare prevăzute cu sistem de
orientare de tip pseudo-azimutal faţă de cele ale colectoarelor fixe orientate spre Sud, a fost
necesară stabilirea mai multor programe de testare; aşadar instalaţia experimentală a fost
programată să funcţioneze numai cu un colector fix orientat spre Sud având un unghi de
elevaţie de 21°, respectiv cu un colector orientat în paşi după un program de orientare având o
cursă diurnă de 120°.
Testărilor experimentale au scos în evidenţă performanţele superioare ale colectoarelor solartermice
cu orientare pseudo-azimutală comparativ cu cele fixe orientate Sud; astfel, eficienţa
de orientare a unui colector cu orientare pseudo-azimutală este de 93% comparativ cu cea de
72% obţinută la colectorul fix orientat Sud, iar referitor la randament, valorile acestuia sunt
cu ≈5% mai mari în cazul colectoarelor mobile.
Rezultatele simulărilor energetice realizate cu soft-ul TRNSYS au fost validate în urma
analizei comparative dintre rezultatele acestora şi datele reale monitorizate de instalaţia
experimentală; studiul comparativ s-a realizat pentru două perioade în care instalaţia
experimentală a funcţionat cu un colector cu orientare pseudo-azimutală, respectiv cu un
colector fix orientat Sud; astfel eroarea procentuală la calculul temperaturilor de ieşire din
colectoarele solare se încadrează între -0.6% şi 2.2%, iar în cazul energiilor solare utile
furnizate de colectoare, între -3.35% şi 2%.
7.2 CONTRIBUŢII ORIGINALE
În concordanţă cu stadiul actual al cercetărilor în domeniu şi prin formularea concluziilor
cercetărilor efectuate se pot evidenţia principalele contribuţii originale:
Elaborarea programelor de orientare a colectoarelor solar-termice în scopul adaptării
sistemelor de orientare la necesarul termic al unei clădiri. În acest sens, sunt propuşi
algoritmi de determinare a parametrilor optimi de orientare (număr de sezoane, valoarea
unghiului de elevaţie, durata pasului de orientare, durata cursei unghiulare diurne, valorile
unghiului de orientare diurn pentru fiecare pas de orientare), în funcţie de regimul de
funcţionare al colectorului, astfel:
la funcţionarea în regim de sarcină maximă, orientarea colectorului se realizează în
scopul maximizării radiaţiei solare globale pe suprafaţa acestuia; alegerea parametrilor
optimi ai programului de orientare se realizează în funcţie de valorile maxime obţinute
ale eficienţei anuale de captare a radiaţiei globale;
la funcţionarea în regim de sarcină nulă se recomandă orientarea în contra-fază a
colectorului solar-termic, pentru a evita supraîncălzirea agentului termic;
funcţionarea în sarcină parţială se poate întâlni în două situaţii:
colectorul solar-termic trebuie să funcţioneze în sarcină maximă, dar datorită
condiţiilor meteo (valorile radiaţiei difuze sunt mai mari decât cele ale radiaţiei
directe) acesta se orientează spre Sud şi rămâne fix; pentru această situaţie de
funcţionare, lucrarea de faţă propune, menţinerea colectorului fix doar pe perioadele
în care raportul k=Rdir/Rdif

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
primăvară sau toamnă) a atins valoarea dorită, iar colectorul solar se orientează spre
Sud (sau în contra-fază).
Dezvoltarea unei soluţii constructive de sistem de orientare de tip pseudo-azimutal, sistem
care să permită adaptarea orientării colectorului solar-termic la necesarul termic al clădirii;
se are în vedere faptul că, la funcţionarea în regim de sarcină nulă este necesară orientarea
colectorului solar-termic în contra-fază, ceea ce face necesară asigurarea de către sistemul
de orientare a curselor diurne mari (180°); aşadar, la proiectarea soluţiei constructive s-a
ţinut cont de:
parametri optimi ai programelor de orientare, obţinuţi în urma adaptării orientării
colectorului solar la necesarul termic;
încărcările sistemului în regim de funcţionare static sau dinamic.
Elaborarea unui program original pentru simularea funcţionării mecanismelor de orientare
cu bare articulate, acţionate de două actuatoare liniare; în acest mod, este posibilă
vizualizarea grafică a poziţiilor mecanismului pe durata funcţionării acestuia (la intervale de
ordinul secundelor), evitându-se în acest fel, înainte de implementarea în practică, a
eventualelor poziţii de blocare ale mecanismului; de asemenea, programul face posibilă
implementarea şi verificarea mai multor programe de comandă ale actuatoarelor.
Modelarea cu ajutorul unui soft performant de simulare energetică (TRNSYS) a instalaţiei
experimentale solar-termice a Departamentului Sisteme de Energii Regenerabile şi
Reciclare; în acest fel, s-a realizat simularea energetică a unui sistem complex de utilizare în
paralel a surselor de energie solară (colectoare solar-termice) şi a celei provenite din surse
auxiliare pe gaz. Folosirea soft-ul TRNSYS a permis:
stabilirea cât mai corectă a necesarului termic de energie al clădirii analizate; în acest
sens, a fost creat model detaliat 3D al clădirii, model care a fost introdus în mediul de
simulare astfel încât, modelului creat să îi fie ataşată o serie de informaţii care să uşureze
calculele de transfer termic, câştig de radiaţie, etc.; se menţionează faptul că, metodele
clasice de determinarea a necesarului termic al clădirilor folosesc o serie de ipoteze [73]
care conduc la o supradimensionare a instalaţiilor termice; aşadar, prin folosirea softurilor
care permit Simularea Sistemelor Tranzitorii (permit analiza sistemelor a căror
evoluţie depinde de timp) se poate realiza dimensionarea instalaţiilor solar-termice pe
baza unor informaţii care aproximează în mare măsură condiţiile reale;
posibilitatea de a crea legături între fişierele meteo reale şi clădire într-un mod facil,
permiţând introducerea de elemente ce influenţează proprietăţile aerului interior
(informaţii cu privire la radiaţia solară şi unghiul de incidenţă, umiditatea relativă şi
temperatura aerului, dar şi informaţii privind programele de funcţionare ale clădirii);
modelarea funcţionării colectoarelor solar-termice în cadrul unei instalaţii, ţinându-se
astfel cont de toate procesele de schimb de căldură ce apar în timpul funcţionarii; în plus,
pentru modelarea orientării colectorului cu orientare pseudo-azimutală s-a realizat
modificarea subrutinelor TRNSYS pentru implementarea valorilor corespunzătoare ale
unghiurilor de elevaţie, orientare diurnă şi incidenţă pe planul colectorului solar.
Modificarea şi adaptarea sistemului de orientare al colectorului mobil al instalaţiei
experimentale, astfel încât să poată fi obţinută mişcarea diurnă în jurul unei axe orizontale
(respectiv să fie asigurată orientarea de tip pseudo-azimutal).
În finalul enumerării principalelor contribuţii originale se menţionează că toate concluziile
acestei lucrări au fost formulate pe baza prelucrării datelor reale (date meteorologice, informaţii
referitoare la clădirea folosită în studiile de caz, date experimentale monitorizate, etc.).
7.3 DISEMINAREA REZULTATELOR
Cercetările teoretice şi experimentale privind adaptarea sistemelor de orientare pentru colectoare
solar-termice la necesarul termic al unei clădiri, desfăşurate de-a lungul celor 3 ani de doctorat au
52

VII. Concluzii finale. Contribuţii originale. Diseminarea rezultatelor. Direcţii viitoare de …
fost parţial valorificate prin:
Elaborarea a 12 articole ştiinţifice (7 ca prim autor, 2 ca unic autor) dintre care:
8 au fost publicate în volume indexate în baze de date internaţionale:
2 sunt articole ISI (Included in ISI/SCI Web of Science and Web of Knowledge).
2 sunt articole recunoscute CNCSIS, clasa B/B+:
Depunerea în calitate de co-autor a propunerilor de brevet:
Sistem şi metodă de orientare a unui colector solar termic plan în funcţie de
necesarul termic, cerere A/00109 din 20.02.2012;
Mecanism de orientare mono-axială cu două actuatoare liniare, cerere A/00467 din
22.06.12;
Mecanism de orientare cu două actuatoare liniare în paralel pentru şiruri
fotovoltaice, cerere DPI/156 din 03.09.2012.
Participarea la 2 conferinţe internaţionale:
International Conference on Renewable Energy and Power Quality, 2011, Las Palmas de
Gran Canaria, Spania;
European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 2011, Hamburg,
Germania.
7.4 DIRECŢII VIITOARE DE CERCETARE
Rezultatele cercetărilor teoretice şi experimentale, obţinute în urma elaborării acestei teze de
doctorat, nu epuizează toate aspectele ce necesită a fi abordate la studiul unei tematici cum este cea
propusă prin lucrarea de faţă, respectiv adaptarea sistemelor de orientare a colectoarelor solartermice
la necesarul termic al unei clădiri. Din contră, concluziile formulate – bazate în mare
măsură pe prelucrarea datelor reale – deschid noi perspective de extindere a activităţilor de
cercetare teoretică şi experimentală, câteva dintre acestea fiind menţionate mai jos.
• Dezvoltarea unor sisteme modulare de orientare a panourilor solare, care să permită adaptarea
acestora la mărimea panoului solar şi dacă este necesară, orientarea panourilor cu suprafeţe
mari; pentru orientarea colectoarelor solar-termice se recomandă sistemele de tip pseudoazimutal
– datorită eficienţei ridicate de captare a radiaţiei solare globale – sisteme care
realizează mişcarea diurnă după o axă orizontală. De asemenea, se propune introducerea
senzorilor de monitorizare a radiaţiei solare (radiaţie globală şi radiaţie difuză) în sistemul de
comandă a mecanismelor de orientare.
• Dezvoltarea de noi programe de orientare a colectoarelor solar-termice în scopul adaptării la
necesarul termic al clădirii; se menţionează faptul că, programele de orientare pentru
colectoarele solar-termice se concep având în vedere eficienţa de captare a radiaţiei solare
globale, ceea ce conduce la concluzia că radiaţia difuză are o influenţă însemnată asupra
modului de orientare al colectorului, în special pe perioada zilelor cu cer variabil. În acest sens,
se recomandă simularea comportamentului colectoarelor solare pe perioade mari de timp (2 – 3
ani), folosind date meteo reale. Se menţionează faptul că, literatura de specialitate oferă un
număr mare de programe de orientare pentru panourile fotovoltaice, dar aceste programe sunt
concepute doar în scopul maximizării radiaţiei directe captate de acestea [4], [24], [45], [57]; în
plus, calculul eficienţei de captare a radiaţiei se realizează pe baza modelelor de estimare a
radiaţiei solare directe, modele care supraevaluează potenţialul solar real.
53

Cărţi, articole de specialitate:
BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ
[2] Bădescu V., Staicovici M.D. Renewable energy for passive house heating. Model of the active
solar heating system, Energy and Buildings, Vol. 38, pp. 129-141, 2006;
[3] Bostan I., et al. Sisteme de conversie a energiilor regenerabile, Ed. Tehnica-Info, Chişinău, 2007;
[9] Coste L., Eftimie E., Şerban C. Estimation of Global Solar Radiation for Braşov Urban Area –
Clear Sky Conditions, Proceedings of 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference
and Exhibition, 2011
[11] Coste L., Şerban C. Solar and wind power for Braşov urban area, Environmental Engineering
and Management Journal, Volume: 10, Issue: 2, pp: 257-262, 2011;
[13] Dombi V. Optimizarea orientării colectoarelor solar termice plane funcţie de necesarul
energetic al unei clădiri, teză doctorat, Universitatea Transilvania din Braşov, România, 2011;
[14] Diaconescu D., et al. The incidence angles of the trackers used for the PV panels’ orientation.
Part I: Equatorial Trackers, Jurnalul RECENT, Vol. 8, nr. 3a(21a), pp. 281-286;
[18] Eftimie E. Baze de date, Editura Universităţii “Transilvania”, Brasov, 2007;
[20] Fanger P.O. Thermal Comfort-Analysis and Applications in Environmental Engineering,
McGraw Hill, New York, 1970;
[22] Goswami D.J., et al. Principles of Solar Engineering, PA, George H. Buchanan Co.,
Philadelphia, 1999;
[25] Ilina M., et al. Manualul de instalaţii. Instalţii de încălzire, Ed. Artecno, Bucureşti 2002;
[26] International Energy Agency, Tehnology Roadmap. Energy-efficient Buildings: Heating and
Cooling Equipment, 2011;
[27] Kalogirou A.S. Solar thermal collectors and applications, Progress in Energy and Combustion
Science 30, pp 231-295, 2004;
[31] Klein S.A., et al. TRNSYS 16, Volume 6: Multizone Building Modeling with Type 56 and
TRNBuild, Solar Energy Laboratory, University of Wisconsin-Madison, Madison, Wisconsin,
2007;
[32] Klein S.A., et al. TRNSYS 17, Volume 3: Standard Component Library Overview, Solar Energy
Laboratory, University of Wisconsin-Madison, Madison, Wisconsin, 2010;
[34] Laustsen J. Energy efficiency requirements in building codes, energy efficiency policies for
new buildings, International Energy Agency, OECD/IEA France, 2008;
[35] Letz T. Final report: Programme d'évaluation de systèmes solaires combines - Résultats de la
campagne de mesure, Project number : Marché ADEME no 0305C0027, 2007;
[37] Letz T. Workpackage 6: monitoring procedure. Solar Combisystems, Altener Project Number:
4.1030 / C / 00 / 002, 2003;
[39] Marcu M., Huber V. Air Thermal Stratification in the Depression Area Forms. “Depression
Effect”, Phytogeographical Implications, Anale I.C.A.S., 46, pp. 141-150, 2003;
[40] Messenger R., Ventre J. Photovoltaic System Engineering, CRC Press, New York, 2000;
[41] Moldovean Gh., Butuc B.R. , Velicu R., Dual Axis Tracking System with a Single Motor,
MECHANISM AND MACHINE SCIENCE, Volume 5, pp.649-656, 2010;
[45] Popa V. Creşterea eficienţei energetice a panourilor fotovoltaice prin mecanisme de orientare de
tip azimutal, teză doctorat, Universitatea Transilvania din Braşov, România, 2009;
54

55
Bibliografie selectivă
[48] Stine B.W., Harrigan R.W. Solar Energy Fundamentals and Design, John Wiley & Sons, West
Sussex, USA, 1985;
[49] Şerban C. Energy income for Braşov urban area – Solar and wind power, Annals of the
Oradea University, Fascicle of Management and Technological Engineering, Volume IX
(XIX), Nr. 1, pp. 4.244-4.249, 2010;
[50] Şerban C. Estimating Clear sky solar global radiation using clearness index, for Braşov
urban area, Advances in Maritime and Naval Science and Engineering, book series:
Mathematics and Computers in Science and Engineering , pp. 150-153, 2010;
[51] Şerban C., Coste L. Solar radiation increase over a capturing surface considering Rb factor,
for Braşov urban area, Renewable Energy and Power Quality Journal, No.9, 2011;
[53] Şerban C., Eftimie E., Coste L. Simulation Model In Trnsys Of A Solar House From Braşov,
Romania, Renewable Energy and Power Quality Journal, No.9, 2011;
[54] Şerban C., Vişa I., Eftimie E., Coste L. Energy Simulation of a Building in Braşov Urban
Area, Proceedings of 26th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition,
Hamburg, Germany, September, 2011
[58] Vătăşescu M.M., et al. Sisteme articulate pentru orientare solară, Editura Universităţii
Transilvania din Braşov, 2011;
[64] Vişa I., et al. Synthesis of Tracking Linkages with Increased Angular Stroke, în Proceedings
SYROM 2009, Springer Science Business Media B.V., pp. 193-207, 2009;
[68] Wang L., et al. Case study of zero energy house design in UK, Energy and Buildings Vol. 41,
pp. 1215-1222, 2009;
Brevete de invenţii, Directive, STAS-uri:
[70] Balanţa Energetică şi Structura Utilajului Energetic, în anul 2010, Institutul Naţional de
Statistică, România, 2011;
[73] Homyk A, et al. Automated solar tracking system, Brevet US 2009/0114211 A1, 2009;
[75] Mc001/1-2007 Partea I – Anvelopa clădirii;
[76] Mc001/2-2007- Partea a II-a – Performanţa energetică a instalaţiilor din clădiri;
[80] Shingleton G.J. Tracking solar collector assembly, Brevet US007888588B2, 2011;
[82] STAS 1478-90. Alimentarea cu apă la construcţii civile şi industriale;
[86] Xie Q., Cowley S. Global solar tracking system, Brevet US 2010/0051017 A1, 2010;
Articole online:
[89] http://sel.me.wisc.edu/trnsys/features/t17updates.pdf, accesat în 27.05.2012;
[91] http://vremea.meteoromania.ro/node/5665, accesat în 16.08.2012;
[95] http://www.hassmann-solarpakete.de/solar/infos/CosmoSolTechnischeDaten.pdf, accesat în
12.06.2012;
[100] http://www.greenpeace.org/romania/ro/campaigns/schimbari-climatice-energie/eficientaenergetica/,
accesat în 08.05.2012;
[105] http://www.soltech.ro/colectoare.htm, accesat în 15.05.2012;
[107] http://www.trnsys.de/docs/trnsys3d/trnsys3d_uebersicht_en.htm, accesat în 09.07.2012;

ANEXA III
Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
Adjustment of the tracking system of solar-thermal collectors to the heating load of a building
Ing. Cristina ŞERBAN Conducător ştiinţific: Prof.dr.ing. Elena EFTIMIE
REZUMAT
Cuvinte cheie: colector solar-termic, mecanism de orientare, raspuns energetic solar, energie solară utilă.
Principalul obiectiv al tezei de doctorat la constituit adaptarea sistemelor de orientare a colectoare
solar-termice la necesarul termic al unei clădiri, în concordanţă cu condiţiile climatice ale zonei de
implementare. Pentru îndeplinirea acestui obiectiv s-a urmărit dezvoltarea unui sistem de orientare de tip
pseudo-azimutal care să permită pe de o parte maximizarea energiei solare captată de colectoarele solare, la
funcţionarea în sarcină maximă, iar pe de altă parte adaptarea orientării colectoarelor solare la variaţiile
sarcinii termice, respectiv la funcţionarea în regim de sarcină parţială sau nulă.
În acest sens, au fost concepute programe de orientare, optimizarea parametrilor de orientare (numărul
anual de sezoane de orientare, durata optimă a unui pas, cursa unghiulară diurnă şi valoarea optimă a unghiului
de elevaţie) realizându-se în funcţie de răspunsul energetic dorit pe suprafaţa colectorului, respectiv în funcţie
de regimul de funcţionare. Următoarea etapă a constat din dezvoltarea unei soluţii constructive de sistem de
orientare a colectoarelor solar-termice, soluţie care să permită realizarea unor curse diurne mari (parametrii
optimi de orientare să poată fi realizaţi pentru orice regim de funcţionare) în condiţii de complexitate redusă.
Sistemul de orientare propus realizează cursa diurnă după o axă orizontală şi este acţionat de două actuatoare
liniare articulate pe aceeaşi axă. Se menţionează faptul că, sistemul de orientare propus este de tip pseudoazimutal,
deoarece aceste sisteme au cea mai ridicată eficienţă de captare a radiaţiei solare globale.
Pentru a evidenţia comportamentul în regim dinamic al colectoarelor solar-termice cu orientare pseudoazimutală
comparativ cu cele fixe orientate Sud, lucrarea propune şi o serie de studii ca caz; în acest sens au
fost modelate în soft-ul TRNSYS diferite sisteme hibride, printre care şi instalaţia hidraulică a departamentului
Sisteme de Energii Regenerabile şi Reciclare. De asemenea, au fost realizate o serie de măsurători
experimentale pe instalaţia de încălzire existentă, fiind monitorizaţi numeroşi parametri: temperaturile la
intrarea şi ieşirea din colectoare, debitele, energie solară utilă furnizată de colectoare. Date meteorologice (în
special cele referitoare la radiaţia solară) au fost utilizate în scopul determinării potenţialului solar real.
ABSTRACT
Keywords: solar-thermal collector, tracking mechanism, solar energy response, solar energy gain.
The main objective of this PhD. thesis was the adjustment of the tracking system of solar-thermal
collectors to the heating load of a building, in accordance with the climatic conditions of the implementation
area. To achieve this goal, the development of a pseudo-azimuth tracking mechanism that permits on the one
hand, the maximization of the solar energy collected by solar thermal collectors, when operating under
maximum load, and on the other hand, the adjustment of tracking system of the solar collector to the thermal
load variation, respectively its operation under partial or zero load, was pursued.
In this respect, orientation programs were conceived, the optimization of the orientation parameters
(annual number of tracking seasons, optimum duration of a step, diurnal angular stroke and elevation angle) is
accomplished according to the desired energetic response on the collector surface, respectively depending on
the operating mode. The next step consisted in developing the constructive solution of a tracking system for
solar-thermal collectors, solution that enables large diurnal angular strokes (optimum orientation parameters
can be achieved for any operating mode) in terms of reduced complexity. The proposed tracking system
achieves the diurnal stroke after a horizontal axis and is driven by two actuators articulated on the same axis. It
is noted that the proposed tracking system is a pseudo-azimuthal type, because these systems have the highest
tracking efficiency of global solar radiation.
To highlight the dynamic behaviour of solar-thermal collectors with pseudo-azimuthal tracking in
comparison with fixed South oriented collectors, the paper also proposes a series of case studies; in this respect
different hybrid systems were modelled in TRNSYS software, including of the experimental hydraulic system
of the Department Renewable Energy Systems and Recycling. Also, a series of experimental measurements
were carried out, using the existing heating system, many parameters being monitored: temperatures at inlet
and outlet collector, fluid flows, useful solar energy gain. Meteorological data were used to determine the real
solar potential.
56

INFORMAŢII PERSONALE:
Nume şi prenume:
Data şi locul naşterii:
Stare civilă:
Adresă:
Telefon:
E-mail:
EDUCAŢIE:
2009- prezent
Instituţia
2004-2009
Instituţia:
EXPERIENŢĂ:
2009- prezent
Instituţia:
2005-2008
Compania:
COMPETENŢE
Limbi străine:
Cunoştinte PC:
REALIZĂRI:
Articole ştiinţifice:
Brevete:
ANEXA IV
CURRICULUM VITAE
Cristina ŞERBAN
15 Decembrie 1985, Braşov
necăsătorită
Str. TÂMPEI, nr. 3, BRAŞOV, ROMÂNIA
004 0740 227 915
cristina.serban@unitbv.ro; cristina.serban85@yahoo.com
Stagiu doctorat, în domeniul Inginerie Mecanică
Universitatea Transilvania din Braşov
Diploma de inginer, secţia Design de Produs şi Mediu (lb. engleză)
Universitatea Transilvania din Braşov
Asistent profesor
Universitatea Transilvania din Braşov
Brand ambassador / Promoter
Front Line Marketing, Grup Sapte, Jti
Limba engleză
57
Anexe
MS Office, CATIA V5, TRNSYS, AutoCad 2D, MS Visual FoxPro,
Delphi, CorelDraw, Google SketchUp
12 articole ştiinţifice (2 ISI Web of Knowledge, 10 BDI)
Co-autor: 3 propuneri de brevet

Adaptarea sistemului de orientare a colectoarelor solar-termice la necesarul termic al unei clădiri
PERSONAL INFORMATION:
Name and surname:
Birth date and place:
Marital status:
Address:
Telephone:
E-mail:
EDUCATION:
2009- Present
Institution:
2004-2009
Institution:
EXPERIENCE:
2009- Present
Institution
2005-2008
Company:
PROFICIENCY:
Foreign languages:
PC Knowledge:
ACHIEVEMENTS:
Scientific articles:
Patents:
CURRICULUM VITAE
Cristina ŞERBAN
December, 15, 1985, Braşov
Single
TÂMPEI Street, no. 3, BRAŞOV, ROMÂNIA
004 0740 227 915
cristina.serban@unitbv.ro; cristina.serban85@yahoo.com
PhD. Stage in Mechanical Engineering
Transilvania University of Braşov
Bachelor degree, Industrial Product Design
Transilvania University of Braşov
Proffesor Assistant
Transilvania University of Braşov
Brand ambassador / Promoter
Front Line Marketing, Grup Sapte, Jti
English
MS Office, CATIA V5, TRNSYS, AutoCad 2D, MS Visual FoxPro,
Delphi, CorelDraw, Google SketchUp
12 scientific articles (2 ISI Web of Knowledge, 10 BDI)
Co-author: 3 patent registration
58