Brzmi kontrowersyjnie, ale zapewniam, że chodzi o poważne zagadnienie inżynierskie :)
OPTYMALIZACJA DOBORU PARAMETRÓW CENTRAL WENTYLACYJNYCH W OPARCIU O ANALIZĘ ZUŻYCIA ENERGII.
Jeśliby się głębiej zastanowić, wszyscy w ciągu całego naszego życia płacimy głównie za energię w różnych postaciach. Energia elektryczna, ciepło, chłód, żywność, paliwa to wszystko Energia. W zasadzie rozwój całej naszej cywilizacji jest determinowany poprzez ilość energii i jej źródła. Ceny energii, poprzez różnego rodzaju zawirowania na świecie, są obecnie na ustach wszystkich. Większość zastanawia się jak obniżyć swoje rachunki za energię, jak obniżyć jej zużycie. Nie ma jednak energooszczędności, bez umiejętności obliczania zużycia energii i znalezienia jej głównych odbiorników. Energia, dla większości społeczeństwa, jest pojęciem dość abstrakcyjnym. Każdy wie, że musi płacić za wskazane na licznikach wartości, nie każdy jednak wie, jak można optymalizować jej zużycie i od czego tak naprawdę to zużycie zależy. Właśnie tu drogi czytelniku jest ogromne pole do popisu dla specjalistów HVAC, którzy mogą pomóc Inwestorowi podjąć właściwą decyzję. Zazwyczaj Inwestor nie jest w stanie samodzielnie obliczyć energii natomiast potrafi świetnie liczyć pieniądze. W niniejszym artykule skupię się na centralach wentylacyjnych, które są niezbędnym wyposażaniem niemal każdego obiektu budowlanego, które to może stanowić główne źródło konsumpcji energii. Przedstawię jak na etapie projektu można zoptymalizować dobór centrali, w taki sposób, aby był on jak najkorzystniejszy dla Inwestora i środowiska. Od razu uprzedzam, iż analiza, która zostanie przedstawiona nie jest uniwersalna z racji różnych cen energii jakie mogą posiadać poszczególne podmioty, różnych harmonogramów pracy itd., jednak pokazuje to jaką drogą należy podążać, aby wybrać mądrze.
Właściwy dobór centrali wentylacyjnej, wbrew pozorom, nie jest prostym zadaniem. Wynika to z mnogości parametrów jakie należy uwzględnić przy jej doborze jak również, zazwyczaj dużej presji czasowej jaka towarzyszy wykonaniu dokumentacji projektowej. Centrala jak wiadomo, to serce całego systemu wentylacji/klimatyzacji i jej praca decyduje nie tylko o dotrzymaniu lub nie, wymaganych parametrów w danym pomieszczeniu, ale również o ekonomice całego układu wentylacji/klimatyzacji. Układy takie zwykle pracują przez wiele lat więc mogą być i zazwyczaj są jednym z najbardziej energochłonnych elementów wyposażenia budynków, dlatego niezwykle istotne jest, aby przy doborze centrali wentylacyjnej zatrzymać się na chwilę dłużej i właściwie zoptymalizować jej parametry pracy. Jest to bardzo istotne w obecnych czasach, kiedy ceny nośników energii poszybowały w górę, a z dużą dozą prawdopodobieństwa można stwierdzić, że nie będzie to koniec wzrostu cen i w najbliższych latach możemy się spodziewać dalszych podwyżek. Niestety, moje doświadczenie wskazuje, że etap ten jest niemal całkowicie przekierowany na producenta danej centrali, a temu zależy, aby sprzedać swój produkt i być konkurencyjnym w stosunku do innych producentów, więc z reguły „wyciska” z urządzenia, ile się da. Nie ma oczywiście w tym nic złego – tak działa wolny rynek, jednakże to o klasie Projektanta świadczy jakie ostatecznie urządzenia zostaną zaprojektowane i czy jest w stanie ustalić z producentem danego urządzenia właściwe podzespoły gwarantujące nie tylko poprawną pracę, ale również optymalne zużycie energii. Dla lepszego zobrazowania posłużę się analizą konkretnego przypadku budynku oraz na bazie doborów central wentylacyjnych dokonanych przez renomowaną Polską firmę Frapol, słynącej ze świetnego stosunku ceny do jakości. Firma Frapol od blisko 30 lat dostarcza systemy klimatyzacji i wentylacji na rynki krajowe i zagraniczne.
Rozpatrzmy przypadek wentylacji dla pomieszczeń biurowych, której zadaniem jest dostarczenie higienicznych ilości powietrza, oraz utrzymanie wilgotności względnej nie niższej niż 40%. Do realizacji takiej wentylacji przewidziano układ wentylacyjny o następujących parametrach:
1. Centrala o wydajności 10.000m3/h i wymaganym sprężu dyspozycyjnym 300Pa
2. Czerpnio-wyrzutnia zespolona
3. Filtr powietrza klasy G4 +G7
4. Wymiennik odzysku ciepła
5. Nagrzewnica powietrza wodna zasilana z kotłowni gazowej,
6. Parametry obliczeniowe: te=-20oC, tn=+20oC, tw=+20oC RH=40%
7. Nawilżacz parowy powietrza utrzymujący RH=40% w ciągu zimy
8. Tłumik hałasu, na linii nawiewnej oraz linii wywiewnej
Dokonano rzeczywistych doborów central wentylacyjnych dla różnych wariantów prędkości przepływu powietrza przez centralę. Prędkość czołowa determinuje wielkość centrali oraz jej opory wewnętrzne i ostatecznie koszt inwestycyjny. Im mniejsza prędkość tym centrala będzie oczywiście większa. Wszystkie centrale są w stanie spełnić swoje zadanie i są zgodne z obowiązującymi przepisami. Dokonano doborów dla podanych poniżej prędkości:
w1=1,2m/s
w2=1,7m/s
w3= 2,2 m/s,
Dla każdego wariantu prędkości czołowej dokonano doboru trzech różnych rodzajów wymienników odzysku ciepła tj.:
Wymiennika przeciwprądowego
Wymiennika obrotowego niehigroskopijnego
Wymiennika obrotowego higroskopijnego
Łącznie dokonano zatem 9 różnych doborów central. Poniżej przedstawiono fragment pierwszego doboru z danymi istotnymi dla przeprowadzenia analizy:
Aby nie zaciemniać niniejszego artykułu doborami central, dla zainteresowanych są one dostępne na stronie www.cad-instal.pl/download/centrale.pdf
Poniżej przedstawiono tabelarycznie główne parametry central istotne z punktu widzenia obliczeń zużycia energii:
* - Sprawność sezonowa dla wymiennika przeciwprądowego jest niższa ze względu na procesy odszraniania, jednakże na poczet niniejszej analizy przyjęto zgodnie z kartą doborową jako maksymalną
Co ciekawe, należy zauważyć, że nawet „zwykły” wymiennik obrotowy niehigroskopijny, ze względu na swoją konstrukcję jest w stanie odzyskiwać wilgoć ze sprawnością aż 40%.
Obliczenia zużycia energii wykonano za pomocą programu komputerowego IX-CHART (www.ix-chart.com), a konkretniej jednego z wbudowanych w program modułów tj. Kalkulatora Zużycia Energii (KZE). Moduł ten pozwala na obliczenia zużycia energii w ciągu całego roku, bazując na danych klimatycznych z
wielolecia dla 60 miast w Polsce. Dane klimatyczne pochodzą ze strony Ministerstwa Infr
astruktury i są przeznaczone do wykorzystania przez programy symulujące sezonowe zużycie energii.
Założenia poczynione w module KZE programu IX-CHART:
Dane klimatyczne dla miasta Warszawa
Temperatura końca ogrzewania (nagrzewnica pracuje tylko wtedy, gdy temperatura zewnętrzna spada poniżej tko=+12oC
·Obliczenia wykonano dla harmonogramu pracy centrali jak niżej (praca 6 dni w tygodniu przez 12h + nocne przewietrzanie w interwale godzinowym.
Rys. 01 – Założony harmonogram pracy centrali wentylacyjnej
Dla poznania rocznych kosztów energii, poniżej przedstawiono ceny nośników energii w dwóch wariantach (ceny netto):
Wariant 1 - optymistyczny:
Energia elektryczna – ce=0,85zł/kWh
Energia grzewcza z gazu – cg=0,21zł/kWh
Wariant 2 - pesymistyczny (umowy na c
zas nieokreślony wg. źródeł internetowych):
· Energia elektryczna – ce=2,3zł/kWh
· Energia grzewcza z gazu – cg=0,35zł/kWh
Uzyskano w ten sposób 18 wyników obliczeń.
Przykładowe wyniki obliczeń uzyskane w programie IX-CHART dla pozycji LP 1 wg. Tabeli nr 1 przedstawiono poniżej:
Rys. 02 – Wyniki obliczeń zużycia energii uzyskane z programu IX-CHART
Analogicznie obliczenia wykonano dla wszystkich przypadków otrzymując wyniki przedstawione w poniższej tabeli:
Tabela nr 2 – Zbiorcze zestawienie zużycia energii przez centrale wentylacyjne
Dla lepszego zobrazowania otrzymanych wyników, poniżej przedstawiono wykresy:
Wykres nr 1 – Roczne zużycie energii przez centrale wentylacyjne
Z punktu widzenia kosztów eksploatacji istotna jest nie tylko całkowita wartość zużycia energii, ale również struktura poszczególnych nośników energii ze względu na różne ceny nośników energii.
Na poniższych wykresach przedstawiono wyniki kosztów eksploatacyjnych dla poszczególnych prędkości czołowych przepływu przez centralę dla 1 i 2 wariantu cen energii.
Wykres nr 2 – Roczny koszt eksploatacji central dla prędkości czołowej 1,2m/s, cg=0,21zł, ce=0,85zł
Wykres nr 3 – Roczny koszt eksploatacji central dla prędkości czołowej 1,7m/s, cg=0,21zł, ce=0,85zł
Wykres nr 4 – Roczny koszt eksploatacji central dla prędkości czołowej 2,2m/s, cg=0,21zł, ce=0,85zł
Wykres nr 5 – Roczny koszt eksploatacji central dla prędkości czołowej 1,2m/s, cg=0,35zł, ce=2,3zł
Wykres nr 6 – Roczny koszt eksploatacji central dla prędkości czołowej 1,7m/s, cg=0,35zł, ce=2,3zł
Wykres nr 7 – Roczny koszt eksploatacji central dla prędkości czołowej 2,2m/s, cg=0,35zł, ce=2,3zł
Poniżej przedstawiono zbiorczo wykresy rocznych kosztów eksploatacyjnych poszczególnych central wentylacyjnych z uwzględnieniem struktury zużycia energii.
Wykres nr 8 – Roczny koszt zużytej energii dla cg=0,21zł, ce=0,85zł
Wykres nr 9 – Roczny koszt zużytej energii dla cg=0,35zł, ce=2,3zł
Jak łatwo wywnioskować na podstawie zbiorczych wykresów 8 i 9, najtańszym eksploatacyjnie wariantem dla zadanych warunków jest zastosowanie centrali wentylacyjnej z wymiennikiem obrotowym higroskopijnym dla prędkości czołowej 1,2m/s. Ogólnie, największe centrale spośród dobranych charakteryzują się najniższym zużyciem energii. Pytanie, dlaczego? Odpowiedz na to pytanie jest widoczna na wykresach 2÷7, gdzie możemy zaobserwować strukturę kosztów energii. Analizując wykres 2,3,4 widać, jak wraz ze wzrostem prędkości czołowej rośnie koszt zużycia energii do napędu wentylatorów, co jest następstwem wzrostu oporów wewnętrznych poszczególnych central, przy stosunkowo stałych kosztach pozostałych elementów centrali. Na wykresach widać również, jak istotnym jest, aby stosując nawilżanie powietrza stosować jednocześnie wymiennik obrotowy higroskopijny, który pozwoli na znaczną redukcję kosztów nawilżania. Koszty nawilżania można ponadto obniżyć dodatkowo stosując np. nawilżacz parowy gazowy, o ile cena 1kWh energii z gazu będzie niższa od ceny 1kWh energii elektrycznej, ale to jak na razie jest pewne. Alternatywnie w rachubę wchodzi ponadto system nawilżania adiabatycznego, przy czym tu zagadnienie jest bardziej złożone, gdyż wymaga dodatkowych nakładów inwestycyjnych związanych z stacją uzdatniania wody, więc należy to również uwzględnić. Ponadto nawilżanie adiabatyczne będzie miało sens, jedynie, jeśli podgrzew wtórny będzie realizowany przez nagrzewnicę o cenie 1kWh energii niższej niż elektryczna.
Centrala wentylacyjna z wymiennikiem przeciwprądowym, pomimo najwyższej temperaturowej sprawności odzysku ciepła, okazała się najbardziej kosztowna w eksploatacji, właśnie z racji braku odzysku wilgoci. Gdyby wziąć pod uwagę jedynie energię grzewczą i energię do napędu wentylatorów, koszt eksploatacji byłby najniższy dla tej centrali, w tym jednak przypadku rozpatrujemy również nawilżanie.
Powyższe wnioski, nie rozstrzygają jeszcze o najważniejszej kwestii, czyli o opłacalności danego rozwiązania. Aby to ocenić potrzebujemy jeszcze ceny poszczególnych central, które przedstawiają się jak na poniższym wykresie:
Wykres nr 10 – Ceny katalogowe netto dobranych central wentylacyjnych.
Porównując zależność zużycia energii z cenami katalogowymi widać, że korelacja jest odwrotna – im wyższa cena centrali spowodowana wzrostem wielkości centrali, tym niższe zużycie energii. Większość Inwestorów przy swych wyborach kieruje się głównie w oparciu o CAPEX (Capital expenditure), zatem wybraliby prawdopodobnie najtańszą centralę z wymiennikiem obrotowym niehigroskopijnym i prędkości czołowej przepływu powietrza 2,2m/s. Czy jest to jednak właściwa droga? Przekonajmy się o tym wykorzystując wskaźnik Prostego czasu zwrotu tzw. SPBT (Simply Pay Back Time). Wskaźnik SPBT pozwoli na obliczenie w uproszczeniu po ilu latach dodatkowo zainwestowany kapitał w dane rozwiązanie zwróci się w oszczędnościach.
W naszym przypadku SPBT będzie obliczane w odniesieniu do najdroższego wariantu centrali z danej grupy, który generuje oszczędności w stosunku do pozostałych.
Gdzie:
ΔCinw – Różnica w koszcie zakupu, zł
ΔCen – Różnica w koszcie eksploatacji, zł/rok
Ogólnie przyjmuje się, że jeśli czas zwrotu z nakładu dodatkowego kapitału na rozwiązanie energooszczędne, jest niższy niż 10 lat rozwiązanie takie ma sens ekonomiczny.
Wyniki obliczeń SPBT przedstawiono w poniższych tabelach nr 3 i 4 dla różnych wariantów cen energii
Tabela nr 3 – Prosty czas zwrotu dla cg=0,21zł, ce=0,85zł
Tabela nr 4 – Prosty czas zwrotu dla cg=0,35zł, ce=2,3zł
Jak widać analizując tabele 3 i 4, niemal w każdym przypadku powiększenie centrali, z wyjątkiem centrali z wymiennikiem przeciwprądowym, prędkość czołowa 1,7m/s, cg=0,21zł, ce=0,85zł, dodatkowy nakład kapitału zwrócił się w mniej niż 10lat. Należy zauważyć ponadto, że wzrost cen energii drastycznie wpływa na szybkość czasu zwrotu co przedstawiono w tabeli nr 4, jednakże, gdyby tak gwałtowny wzrost cen nastąpił, zapewne wzrosłyby również ceny samych urządzeń. Tym nie mniej, urządzenia o niskiej prędkości czołowej, które już pracują mocno zredukowałyby swój własny SPBT.
Pozostaje jeszcze kwestia ekologii, określona emisjami CO2 która przedstawia się wg. poniższego wykresu:
Wykres nr 11 – Emisje CO2 poszczególnych wariantów central:
Wnioski:
1. Kierowanie się CAPEX podczas wyboru urządzenia może często prowadzić do złych decyzji inwestycyjnych.
2. Właściwy wybór podzespołów centrali tak aby była w rzeczywistości energooszczędna nie jest zadaniem prostym, bez odpowiednich narzędzi. Można taki proces znacznie uprościć korzystając z programu IX-CHART.
3. Wysoka sprawność wymiennika odzysku ciepła, nie decyduje o energooszczędności centrali wentylacyjnej/klimatyzacyjnej, a należy do zagadnienia podejść bardziej ogólnie biorąc pod uwagę wszystkie podzespoły centrali konsumujące energię i jej ceny.
4. Najbardziej korzystnym finansowo, biorąc pod uwagę cenę zakupu oraz korzyści wynikające z obniżenia kosztów eksploatacji okazał się wariant centrali dla prędkości czołowej 1,2m/s i z wymiennikiem obrotowym higroskopijnym.
5. Również, z punktu widzenia ekologii i emisji CO2, powyższy wariant jest najkorzystniejszy.
Podsumowanie:
Czy zatem tytułowy rozmiar centrali ma znaczenie? Okazuje się, że tak i to bardzo duży. Niemal dla każdego rozpatrywanego przypadku SPBT był poniżej 10lat Oznacza to, że przy obecnie wysokich cenach energii warto zainwestować w większe, ale bardziej energooszczędne urządzenia. Zważając również na fakt, że nie zapowiada się, aby ceny energii miały istotnie spaść, a wręcz odwrotnie, można się spodziewać ich wzrostu, tego typu analizy mogą być wyjątkowo wartościową częścią projektu, za którą nie jeden Inwestor będzie w stanie dodatkowo zapłacić.
Zwrócić należy jednak uwagę, że każdy projekt ma jednak własne założenia poczynając od strefy klimatycznej, poprzez sprawności odzysku ciepła, harmonogram pracy i wiele innych. Wszystkie te parametry mogą mieć wpływ na wybór innego korzystniejszego rozwiązania, dlatego nie należy generalizować wniosków płynących z niniejszej analizy, lecz są one zachętą do samodzielnej eksploracji i analiz z użyciem np. programu IX-CHART. W mojej ocenie w najbliższych latach będzie tu ogromne pole do popisu dla Projektantów z branży HVAC.
Literatura:
[1] – materiały techniczne firmy Frapol
Niniejszy artykuł ukazał się w numerze 04/2023 magazynu Chłodnictwo&Klimatyzacja
I to by było na tyle, dziękuję Ci za poświęcony czas na przeczytanie tego artykułu.
Jeśli ten artykuł wniósł coś pozytywnego dla Twojego rozwoju, i chcesz, aby strona dalej się rozwijała na której dzielę się swoją wiedzą, daj łapkę w górę, zostaw komentarz lub udostępnij. No i oczywiście możesz pomóc sobie i mi poprzez zakup licencji lub możesz postawić mi kawę:)
Comments