Optymalizacja izolacji rur instalacji klimatyzacyjnych z wodą lodową

Transkrypt

1 Optymalizacja izolacji rur instalacji klimatyzacyjnych z wodą lodową Artykuł ma za zadanie udzielenie odpowiedzi na pytanie, czy można uzyskać oszczędność energii poprzez zastosowanie optymalnej izolacji rur w chłodnictwie i klimatyzacji, a jeśli tak, to jaką ilość energii można zaoszczędzić i do jakiego stopnia takie inwestycje są opłacalne. Kwestia ta jest dzisiaj bardzo aktualna, ponieważ zgodnie z dyrektywą w sprawie charakterystyki energetycznej budynków, energia faktycznie zużyta przez instalacje chłodnicze i klimatyzacyjne jest włączona w ogólny bilans energetyczny budynku. Firma Armacell zainicjowała projekt techniczny, w celu zbadania wyżej wymienionej kwestii. Punktem wyjścia jest typowe zastosowanie: instalacje wody lodowej w klimatyzowanych budynkach dostarczające wodę o nominalnej temperaturze +7 C do klimakonwektorów wentylatorowych, usytuowanych w wielu miejscach w budynku. W czasach, kiedy ceny energii są wysokie i niestety nadal rosną, kiedy istnieje rosnąca zależność od dostawców energii i co bardzo ważne, w perspektywie pogarszających się warunków klimatycznych, potencjał oszczędzania energii w sektorze budowlanym musi być wykorzystywany bardziej rygorystycznie. Prowadząc obliczenia i opracowania dotyczące zmniejszenia emisji CO 2, firma Armacell udowodniła, że jest możliwe osiągnięcie olbrzymich oszczędności energii poprzez modernizację polegającą na właściwym doborze i zastosowaniu odpowiedniej izolacji na instalacjach grzewczych oraz ciepłej wody użytkowej w istniejących budynkach. Zgodnie z europejską dyrektywą 2002/91/WE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków [1], po raz pierwszy przy obliczaniu całościowej charakterystyki energetycznej budynku należy wziąć pod uwagę nie tylko instalacje c.o. i c.w.u. ale również chłodzenie, wentylację i oświetlenie. Dawniej klimatyzacja w budynkach była luksusem, natomiast obecne sprzedaż klimatyzatorów w Europie wzrasta co roku o 10%. Nie tylko na południu Europy, ale również w krajach Europy środkowej i północnej montuje się coraz więcej instalacji klimatyzacyjnych. Przyczyną tego są częściowo zmiany klimatyczne, które skutkują gorętszymi sezonami letnimi w regionach europejskich o klimacie umiarkowanym. Konieczność zapewnienia niskich temperatur potrzebnych do chłodnictwa i klimatyzacji powoduje wysokie koszty. W optymalizacji tych kosztów ważną rolę odgrywa izolacja. Zapewnia ona utrzymywanie jak najdłużej wymaganej temperatury czynnika, redukując tym samym czas pracy agregatu chłodzącego. Jak dowodzi ten artykuł, poprzez optymalizację izolacji rur z wodą lodową, można uzyskać znaczny potencjał oszczędności. Dotychczas głównym celem izolowania rur z czynnikami chłodzącymi było zapobieganie kondensacji. W przyszłości, celem pierwszoplanowym powinno stać się zmniejszenie straty energii z instalacji. Potencjał oszczędności energii w instalacjach klimatyzacyjnych opartych na wodzie lodowej W zależności od struktury klimatyzowanego budynku, jego powierzchni, złożoności i liczby pięter,

2 układ rurociągów z wodą lodową może być zaprojektowany i skonstruowany na różne sposoby. Jest on zazwyczaj dzielony na sekcje, dla każdej grupy klimakonwektorów. Regułą jest, że im większa liczba klimakonwektorów, do których ma być dostarczony czynnik chłodzący, tym większa średnica rury. Dlatego też w takiej instalacji mamy do czynienia z rurami o różnych średnicach. W analizowanym przypadku zyski ciepła obliczane są w odniesieniu do metra bieżącego rury, dlatego długość rury w każdej sekcji jest nieistotna. Aspekty, które są istotne to przyjęta średnica rury, o wymiarach od DN 32 do DN 100 oraz grubość izolacji rur, którymi się tutaj zajmujemy. Najlepszym sposobem na określenie potencjału poprawy wydajności energetycznej jest porównanie przynajmniej dwóch rozwiązań dla tego samego systemu. Jedno z nich pokazuje niższe całkowite zużycie energii podczas okresu, o którym jest tu mowa. Omawianym tu okresem może być jeden sezon klimatyzacyjny lub wiele lat. Na rzeczywistą oszczędność energii w przykładowej instalacji wody lodowej ma wpływ jakość (właściwości termoizolacyjne, materiał) oraz grubość izolacji. W obliczeniach wykorzystujemy aktualne parametry techniczne elastycznych izolacji kauczukowych AF/Armaflex, ostatnio poprawione w 2006 r. Aby zapobiec kondensacji w warunkach opisanych w tab. 1., wystarczy zaizolować instalacje izolacją AF/Armaflex AF-1 o narastającej grubości izolacji pomiędzy 7 a 11 mm. Istotna jest przy tym informacja, że otuliny AF/Armaflex są produkowane z technicznie uzasadnionymi grubościami ścianek (tzw. narastająca grubość izolacji). W celu zapewnienia jednakowej temperatury na powierzchni zewnętrznej izolacji dla wszystkich średnic rur, grubość izolacji będzie zwiększać się automatycznie w miarę, jak będzie wzrastać średnica rury. Średnice rury i grubości izolacji, które są uwzględniane, przedstawiono w tab. 1. (w obliczeniach tych nie porównujemy wszystkich możliwych grubości izolacji ze sobą). W każdym przypadku, minimalna grubość izolacji potrzebnej, aby zapobiec kondensacji (AF/Armaflex AF-1) jest porównywana z większymi grubościami izolacji (szeregi grubości od AF-2 do AF-6). Przy wilgotności względnej do 70%, przyjąwszy temperaturę otoczenia do +26 C, zakres grubości izolacji AF-1 od 9,0 do 9,5 mm zapewnia kontrolę kondensacji dla przyjętych średnic rur. W omawianym przypadku, zakres AF-1 jest uważany za izolację minimalną, która spełnia swój podstawowy cel kontrolę kondensacji jednakże, nie ma ona żadnego konkretnego znaczenia, jeśli uwzględnić kryterium oszczędności energii. W obliczeniach wydajności energetycznej i ekonomicznej dotyczących większych grubości izolacji, we wszystkich przypadkach porównuje się AF-1 do typoszeregów grubości od AF-2 do AF-6. Tabela 1. Podstawowe dane do obliczeń

3 Tabela 2. Uwzględnione średnice rur i odpowiednie grubości izolacji AF/Armaflex Kolejność obliczeń Dla każdej danej średnicy rury i grubości izolacji zysk ciepła z powietrza otaczającego instalację może być obliczony w odniesieniu do metra bieżącego rury w [W/m]. Zysk ciepła powoduje lekki wzrost temperatury wody lodowej w instalacji, dodatkowo do głównego przyrostu o 5 6 K w klimakonwektorach. W agregacie wody lodowej temperatura czynnika musi być ponownie obniżona do pierwotnych +7 C w możliwie wydajny energetycznie sposób. Chociaż wzrost temperatury, będący rezultatem zysku ciepła, nie jest bardzo duży, nawet w przeliczeniu na setki metrów rur, to akumuluje się on poprzez wiele cykli i powoduje znaczącą stratę energii po kilku sezonach klimatyzacyjnych. W typowych sytuacjach, bardziej powszechne jest kontrolowanie temperatury powrotu wynoszącej od +11 do +12 C niż temperatury zasilania rzędu +6 do +7 C. Jednakże, sterowanie instalacją nie jest szczególnie istotne w obliczeniach. Jedyną ważną rzeczą jest założenie, że zysk ciepła dla instalacji rurociągów wody lodowej musi być rekompensowany większym zużyciem energii (głównie sprężarki) w centralnej jednostce chłodzącej. Jeśli już zyski ciepła w [W/m] dla różnych grubości izolacji będą znane, można obliczyć różnicę wobec najwyższego poziomu zysku ciepła dla grubości AF-1, uzyskując w ten sposób oszczędności [W/m] w porównaniu z najmniejszą grubością izolacji (wymaganie minimalne dla kontroli kondensacji). Co więcej, poprzez pomnożenie oszczędności w zysku ciepła przez omawiany okres czasu, można obliczyć oszczędności energii cieplnej [kwh/m] w danym okresie czasu, np. w jednym lub większej liczbie sezonów klimatyzacyjnych. W przedstawionych obliczeniach zakłada się 6-miesięczny sezon klimatyzacyjny. To co można zaoszczędzić podczaseksploatacji instalacji klimatyzacyjnej, to energia elektryczna zużywana przez centralną jednostkę chłodzącą w danym okresie czasu. Oszczędności te można obliczyć za pomocą wskaźnika wydajności energetycznej (WWE), w którym brane są pod uwagę sprężarki, wentylatory i elementy kontrolne. WWE zależy od warunków pracy jednostki chłodzącej: temperatury powietrza atmosferycznego oraz temperatury wody lodowej opuszczającej jednostkę (temperatury zasilania). Może on mieć zakres od ok. 1,7 do 3,0. Dla celów niniejszych obliczeń, przyjmuje się wskaźnik wydajności energetycznej 2,6 dla całego okresu klimatyzacyjnego. Gdy znane są oszczędności energii elektrycznej, możliwe jest również obliczenie zmniejszenia emisji CO 2. Współczynnik emisji CO 2 zależy od tego jakie paliwa (gaz, ropa naftowa, węgiel, paliwo atomowe) są zużywane w danym kraju do produkcji energii elektrycznej w elektrowniach. Np. w Niemczech, współczynnik ten wynosi 0,683 kg CO 2 /kwh. W tabelach 3a i 3b przedstawione są wyniki obliczeń energetycznych dla rur o średnicach DN 40 (48,3 mm) oraz DN 80 (88,9 mm) przypadające na 1 mb rury.

4 Obliczenie wydajności ekonomicznej Tabela 3a. Oszczędności energii dla rur z wodą lodową o średnicy DN 40 (48,3 mm) na 1 mb Tabela 3b. Oszczędności energii dla rur z wodą chłodzącą o średnicy DN 80 (88,9 mm) względem 1 mb Wyniki przedstawione w tabelach 3a i 3b mogą być ciekawe, ale same w sobie niewiele udowadniają. Jest oczywiste, że gdy zwiększa się grubość izolacji, zyski ciepła będą mniejsze, zaoszczędzając w ten sposób energię cieplną i elektryczną oraz zmniejszając emisję CO 2. Kwestią, która jeszcze nie była omawiana w niniejszym artykule, jest opłacalność inwestycji w optymalną izolację. Inwestycja początkowa w grubszą izolację jest nieznacznie większa niż inwestycja w minimalną izolację wymaganą celu zapobieżenia kondensacji. Tak czy inaczej, koszty montażu izolacji występują w obu przypadkach, a zatem można ich nie uwzględniać. Pozostaje kwestia wyjaśnienia, czy wyższe koszty inwestycyjne będą równoważone przez wyższe oszczędności energii, innymi słowy, czy cała operacja zastosowania grubszej izolacji będzie się opłacać. Więcej na RynkuInstalacyjnym... Literatura 1. Dyrektywa 2002/91/WE Parlamentu Europejskiego i Rady Unii Europejskiej z dnia 16 grudnia 2002 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków. Autor: Jarema Chmielarski, Źródło: Rynek Instalacyjny 10/2008

5 KONTAKT Rynek Instalacyjny